更宽带隙的磁传感器-量子阱霍尔传感器

2017年11 月下旬，IQE 与卡迪夫大学的合资企业复合半导体中心从英国政府资金中筹集了超过 350,000 英镑，用于开发具有基于 GaAs 和 GaN 材料的集成电子器件的超灵敏磁传感器。

新 CS-MAGIC 项目获得 InnovateUK 奖之际，行业分析师预测磁场传感器市场将出现惊人增长。MarketsandMarkets 预测，到 2023 年，当今 30 亿美元的全球市场将猛增至超过 50 亿美元，复合年增长率为 8.77%。同样，Technavio 预测从现在到 2020 年的复合年增长率为 10%。

目前，需求主要来自汽车行业，需要高度灵敏、稳健的霍尔效应传感器，以在发动机控制管理、防抱死制动系统等更大的温度范围内绘制越来越小的磁场。然而，航空航天和工业部门越来越需要传感器来测量旋转、速度和线性位置。

正如曼彻斯特大学半导体器件和材料教授、获奖者之一 Mohamed Missous 所说：“我们现在正在为比以往任何时候都更恶劣的环境开发传感器。”

“当今市售的硅霍尔效应集成电路达到 150ºC 时，它们就会停止工作，因此由 III-V 族半导体制成的设备引起了极大的兴趣，”他补充道。

此外，传统的硅基设备还存在磁场灵敏度低、工作频率和温度范围有限以及功耗高的问题。

因此，就 Missous 而言，他一直在开发基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 系统的量子阱霍尔 IC，还成立了英国的 Advanced Hall Sensors (AHS)，将他的 2DEG 霍尔传感器推向市场。

器件使用分子束外延技术将薄膜沉积到 GaAs 晶片上，然后通过后续的光刻、蚀刻、退火和金属蒸发步骤将其加工成霍尔传感器，然后再进行切片和封装。

至关重要的是，量子阱是通过在两个较厚的 AlGaAs 层之间插入薄 InGaAs 薄膜来产生的。电子——以二维气体或 2DEG 的形式——被限制在这个较薄的层内，而不是在传统的霍尔效应传感器中自由漫游，从而提高了电子特性。

事实上，基于硅的线性霍尔 IC 可以检测到 10 Hz 带宽内低至 600 纳特斯拉左右的磁场。但 AHS 已经生产出基于量子阱霍尔 2DEG GaAs 的器件，可在 10 Hz 带宽内检测低至 177 nT 的磁场。虽然以前的设备的最大截止频率为 10 kHz，但宽带隙版本将这个数字扩展到 200 kHz。

迄今为止，AHS 已经出货了超过 1500 万个分立传感器，但由于最新的资金，Missous 和他的公司现在打算将具有更宽动态范围的单芯片传感器商业化，这些传感器可以在更恶劣的环境中运行。

“我们的全集成芯片将是一个单一的芯片，里面有量子阱霍尔效应传感器和所有驱动电子设备，”研究人员说。“这将是全新的；目前还没有单芯片 GaAs 霍尔效应传感器。”

驱动电子设备也将基于 GaAs，这意味着整个芯片将更耐辐射，并且将在比现有设备更宽的温度范围内运行。事实上，在温度范围上，Missous 的目标是使用单芯片实现 -200ºC 到 200ºC，而今天的硅器件覆盖 -50ºC 到 150ºC。

目前，AHS 正在与行业合作伙伴 TWI 和雷尼绍合作，开发基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 层的通用结构。这应该会在明年 4 月得到确认，到接下来的 11 月，封装器件的采样应该正在进行中。

“我们希望生产在更高温度范围内工作的通用 IC，一旦我们实现了这一目标，TWI 和雷尼绍将测试这些设备并提供性能反馈，”Missous 说。“我们依靠这些公司来做到这一点，以便我们可以根据他们的需要定制芯片。”

“我们不想要非常复杂的电路，但我们需要确保所有电子设备与传感器同步，”他补充道。“该电路将在巨大的温度范围内工作，而不会在这些范围内失去任何灵敏度或功能。”

提高标准

与此同时，在 CS-MAGIC 项目的第二部分，来自斯旺西大学电子系统设计中心的 Petar Igic 博士正在开发可称为基于 GaN 的下一波磁传感浪潮。

Igic 已经制造了用于电源应用的 GaN HEMT，但现在，凭借最新的 InnovateUK 资金，打算基于他的磁性 HEMT 概念开发分立传感器。“我们的目标是开发一种与现有 HEMT 技术完全兼容的传感器，”他说。“我们不需要不同的起始材料或额外的加工步骤，但布局与 HEMT 不同，因此该设备对磁场敏感。”

至关重要的是，基于 GaAs 的传感器可以在高达 220ºC 的温度下工作，但基于 GaN HEMT 结构的传感器可以在高达 400ºC 左右的温度下保持性能，正如 Igic 所说，这取决于“适当封装和焊接的发展”。

目前，Igic 正致力于验证这一概念并优化设备布局，他希望这将在未来 12 个月内实现。在此之后，他将寻求为特定应用定制设备，并且还将与包装公司合作

显然，CS-MAGIC 的基于 GaAs 的霍尔传感器比第二个基于 GaN 的器件更接近商业化。但 GaN 在恶劣环境应用中的潜在性能提升是无可争议的。

据 Igic 称，初步结果表明，基于 GaN 的传感器可检测低至 100 nT 的磁场。此外，设备灵敏度不会随磁场和高温而改变。

“我们无法在价格上击败硅，但这种 GaN 器件将用于航空航天和汽车应用，因为它可以在非常高的温度下工作并且对辐射不那么敏感，”Igic 强调说。“我们将不得不在标准制造工艺中实施该设备，但其独特的卖点是，当 GaAs 停止工作时，它仍然如此。”


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