磁场传感器

1.本发明涉及用作磁场传感器的半导体装置。具体地，本发明涉及在使用中可操作以获得磁场强度的测量的磁敏(霍尔效应)半导体装置。


背景技术：

2.磁性传感器用于许多领域，包括航空航天和汽车。通常，磁场传感器可以是可操作的以测量电流和/或磁场强度两者，例如以确保流经敏感装置的电流不超过可接受水平。例如，此类装置还可以用于监测旋转部件的频率(和速度)。磁敏场效应晶体管(magfet)是此类传感器的示例。
3.magfet通常包括半导体装置，该半导体装置具有在空间上分离的两个漏极输出端。在使用中，移动通过该装置的电荷载流子将在所施加的磁场的影响下被偏转。因此，通过测量两个漏极输出端之间的电流分布的变化，例如通过检测两个漏极输出端之间的电流或电压差，可以进行所施加的磁场的测量。
4.最近，磁敏传感器技术的发展已经实现了这种类型的传感器在性能方面的显著改进。具体地，从硅(si)移动至基于氮化镓(gan)的传感器——磁敏感高电子迁移率晶体管(maghemt)——已经提供了增加的相对灵敏度，与在磁场强度范围内的可比温度下基于硅的等效物的3％相对灵敏度相比，实现了约14％的值。在较高的温度下，例如，超过硅传感器的最大操作温度(约120℃)的温度，gan传感器已经显示出具有与在显著较低的温度下的硅传感器的性能相当的相对灵敏度。例如，在170℃下，已经示出了gan传感器的约3％的相对灵敏度。
5.然而，必须考虑这种传感器的灵敏度随温度而下降，以提供与被监测装置相关联的电流/磁场强度的准确测量。通常，这需要特定传感器的灵敏度特性随温度进行精确建模。在较高温度下降低的灵敏度可能使得难以对这种特征进行精确地建模，从而导致在使用中传感器的精度降低。
6.因此将有利的是提供一种传感器，该传感器在温度范围内是可操作的并且具有基本上恒定的灵敏度。
7.本发明的一个或多个实施例的目的是克服或至少部分地缓解与现有技术相关联的一个或更多个问题。


技术实现要素：

8.根据本发明的方面，提供了一种半导体装置，该半导体装置包括：衬底；多个半导体材料层；主区域，该主区域具有与其相关联的主触点；次级区域，该次级区域具有与其相关联的第一次级触点和第二次级触点；导电区域，该导电区域设置在主区域与次级区域之间；以及辅助触点，该辅助触点可操作地耦接至电流源以用于控制通过半导体装置的电流流动，并且其中，电流源被配置以使得电流源的操作取决于温度。
9.有利地，可以根据温度来控制通过半导体装置的电流。在半导体装置可操作为传
感器(例如，磁场传感器)的情况下，传感器的灵敏度可经由电流源控制。以这种方式，在传感器的灵敏度变化最小或理想地没有变化的情况下，可以考虑温度变化，例如，环境温度或操作温度的变化。
10.电流源可操作地耦接至辅助触点以用于控制通过半导体装置的例如在主触点与第一次级触点和第二次级触点和/或辅助触点之间的电流。例如，电流源可被配置为“增强”或“对抗”通过装置的电流流动，否则电流流动可能由于温度可而增加或减少。电流源可被配置为在所有温度下或者至少在半导体装置的操作范围内的所有温度下和/或在由半导体装置监测的电气部件的操作范围内的所有温度下将电流维持在基本上恒定的值。通过根据温度控制电流源，半导体装置的灵敏度可以在温度范围内保持相对恒定。
11.在实施例中，主触点可以包括源电极。在此类实施例中，半导体装置的主区域可以包括源极区域。
12.在一些实施例中，主触点可以基本上跨越半导体装置的整个宽度。在其他实施例中，主触点可以仅跨越半导体装置的宽度的一部分。主触点可相对于半导体装置的宽度基本上居中地定位。主触点可位于半导体装置的边缘处。
13.第一次级触点和第二次级触点可以在半导体装置内空间地分离。第一次级触点和第二次级触点可以沿着半导体装置的长度对准。在实施例中，第一次级触点和第二次级触点可以被定位在半导体装置的相对的边缘处。
14.在实施例中，第一次级触点和第二次级触点可以包括漏电极。在此类实施例中，半导体装置的次级区域可以包括漏极区域。
15.在第一次级触点和第二次级触点包括漏电极的实施例中，这两个漏电极之间的电流分布可以指示施加到半导体装置的磁场。因而，在此类实施例中，半导体装置可以包括或者可操作地连接到用于测量第一次级触点和第二次级触点之间的电流分布的器件。以这种方式，半导体装置可以被操作用作磁场传感器，以用于测量施加到其上的磁场的强度。
16.在实施例中，其中第一次级触点和第二次级触点定位在半导体装置的相对的边缘处，半导体装置可以包括或可操作地连接到用于测量跨过装置的第一次级触点与第二次级触点之间的电压的器件，其中电压指示施加到半导体装置的磁场。具体地，装置内的电荷载流子的分布根据施加到装置的磁场的强度而改变，由此引起跨过装置的电势差，该电势差可经由第一次级触点和第二次级触点来测量。
17.辅助触点可设置在第一次级触点与第二次级触点之间的间隙中。在替代实施例中，辅助触点可以与第一次级触点和第二次级触点间隔开。例如，在一些实施例中，第一次级触点和第二次级触点可以设置在沿着半导体装置的长度的第一点处，辅助触点设置在沿着半导体装置的长度的第二点处。
18.在实施例中，导电区域可以包括高载流子密度。
19.半导体的宽度沿着其长度可以是基本上恒定的。在其他实施例中，半导体的宽度可沿其长度变化。如将认识到的，半导体装置的灵敏度可以取决于装置本身的几何形状。因此，半导体的宽度可沿其长度变化以进一步控制半导体装置的灵敏度。
20.在实施例中，半导体装置可以包括栅极触点。如将认识到的，可以跨过导电区域提供栅极触点以控制导电区域内的电荷载流子的迁移率。栅极触点可位于主触点与第一次级触点和第二次级触点之间。
21.多个半导体材料层可以包括宽带隙半导体材料。宽带隙半导体材料可以包括以下各项中的任意一个或更多个：砷化铝镓(algaas)和砷化镓(gaas)；氮化铝镓(algan)和氮化镓(gan)；algan和algan；氧化锌(zno)和氧化镓锌(gazno)；以及氮化铟铝(inaln)和gan。这些材料组合可以沉积(或生长)在不同衬底上，包括但不限于硅(si)、碳化硅(sic)、gan、玻璃、金刚石和蓝宝石。
22.在实施例中，多个半导体材料层包含在多个半导体材料层的两个相应层之间的二维电荷载流子(例如，电子或空穴)层。
23.在实施例中，电流源可以包括从属电流源。例如，在一些实施例中，电流源可以包括电压控制电流源(vccs)。在其他实施例中，电流源可包括电流控制电流源(cccs)。
24.在实施例中，电流源能够可操作地连接到温度传感器。温度传感器是可操作的以监测环境温度。温度传感器是可操作的以监测半导体装置的操作温度。温度传感器是可操作的以监测与半导体装置相关联的电气部件的操作温度，例如，在使用中由半导体装置监测的电气部件。在实施例中，电流源可以直接或间接地连接到温度传感器。
25.半导体装置可以是借助于可操作地连接至半导体装置的控制单元来控制的。在实施例中，控制单元可以包括一个或更多个处理器(例如，电子处理器)，该一个或更多个处理器被配置为根据一个或更多个指令来执行用于控制半导体装置的操作的一个或更多个指令。一个或更多个指令可存储在与控制单元相关联的存储器器件中，例如，可由控制单元访问的本地或远程存储器器件。
26.在一些实施例中，控制单元可以被配置成执行一个或更多个指令以用于控制电流源的操作。
27.控制单元可包括一个或更多个输入端(例如，电输入端)以用于接收一个或更多个信号。在实施例中，一个或更多个信号可以指示由可操作地连接到控制单元的温度传感器所监测的温度。控制单元可包括一个或更多个输出端(例如，电输出端)以用于输出一个或更多个控制信号。在实施例中，一个或更多个控制信号可以包括用于控制电流源的操作的指令，例如用于根据由温度传感器监测的温度来控制电流源的操作的指令。
28.根据本发明的方面，提供了一种电气部件，该电气部件包括根据本发明的任何前述方面的半导体装置或以其他方式与该半导体装置相关联，其中，半导体装置被配置成在使用中通过获得由电气部件产生的磁场的测量值来监测电气部件的操作。
29.电气部件可以包括电源开关，其中半导体装置包括集成传感器，该集成传感器可操作以用于通过动电电流监测技术来监测电源开关的输出电流。可替代地，电气部件可以包括例如电机驱动器或电池充电器，例如，其中半导体装置可以用作离散传感器以用于电流测量。在另外的实施例中，电气部件可以包括在高温或低温温度下的开环或闭环功率转换器。
30.根据本发明的另一方面，提供了一种用于使用本发明的任何前述方面的半导体装置来监测电气部件的操作的方法，该方法包括：获得半导体装置内的电荷载流子的偏转的测量值；根据半导体装置内的电荷载流子的偏转的测量值来确定磁场强度；以及根据所确定的磁场强度来确定电气部件的操作状态；其中，该方法进一步包括根据温度来控制电流源的操作，以控制流过装置的电流，进而控制半导体装置的灵敏度。
31.在实施例中，获得半导体装置内的电荷载流子的偏转的测量值包括确定第一次级
触点与第二次级触点之间的电流分布。在其他实施例中，获得半导体装置内的电荷载流子的偏转的测量值包括确定第一次级触点与第二次级触点之间的电压。
32.该方法可以包括监测环境温度，并且根据环境温度来控制电流源的操作。该方法可以包括监测半导体装置的操作温度，并且根据半导体装置的操作温度来控制电流源的操作。该方法可包括监测电气部件的操作温度并且根据电气部件的操作温度来控制电流源的操作。
附图说明
33.为了更清楚地理解本发明，现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的一个或更多个实施例，在附图中：
34.图1是现有技术的半导体装置的立体图；
35.图2是展示了图1的半导体装置中第一漏极触点与第二漏极触点之间的电流失衡量在温度范围内如何随磁场变化的曲线图；
36.图3是展示了图1的半导体装置的相对灵敏度s在温度范围内如何随着磁场变化的曲线图；
37.图4是展示了图1的半导体装置的相对灵敏度s如何随温度变化的曲线图；
38.图5是本发明的半导体装置的实施例的立体图；
39.图6是本发明的半导体装置的另一实施例的立体图；
40.图7a-图7b是图5的半导体装置的示意图，展示了其操作用途；
41.图8是图7a和图7b中所示的半导体装置的变体的示意图；以及
42.图9是图7a和图7b中所示的半导体装置的另一变体的示意图。
具体实施方式
43.总体上，本发明涉及半导体装置110、210、310、410，该半导体装置包括衬底112、212、312、412和多个半导体材料层113、213、313、413。主触点c以及第一次级触点c1和第二次级触点c2沿着辅助触点a一起被提供。在使用中，辅助触点a可操作地耦接至电流源120、320、420，以用于控制通过半导体装置110、210、310、410的电流流动，进而可根据由温度传感器122、322、422测量的温度来控制电流源120、320、420。
44.有利地，流过半导体装置110、210、310、410的电流可以根据温度而被控制。其中，半导体装置110、210、310、410能够操作为传感器，例如磁场传感器，传感器110、210、310、410的灵敏度可经由电流源120、320、420来控制。以这种方式，在传感器110、210、310、410的灵敏度变化最小或理想地没有变化的情况下，可以考虑温度变化(例如，环境温度或操作温度)。
45.图1展示了现有技术的半导体装置10。装置10包括衬底12和多个半导体材料层13a、13b、13c。在所展示的实施例中，半导体材料包括gan和algan。如本文所讨论的，由这种材料形成的装置已经显示出比硅基装置表现显著更高的相对灵敏度值。
46.提供了主触点c以及第一次级触点c1和第二次级触点c2，沿着经由绝缘层15与装置10的其余部分电隔离的栅极触点g一起被提供。层13c内的主区域14(例如，源极区域)与主触点c相关联。层13c内的次级区域16(例如，漏极区域)与次级触点c1、c2相关联。导电区
域18设置在主区域14和次级区域16之间。
47.在使用中，次级触点c1与c2之间的电流分布指示存在的磁场b。在不存在b场的情况下，通过装置10的电流将在次级触点c1和c2之间均等地分裂。然而，在磁场b存在时，装置10内的电荷载流子经历垂直于它们的运动方向并且垂直于b场的方向的洛伦兹力。洛伦兹力与b场的强度成比例。在施加的洛伦兹力的情况下，电荷载流子在装置10内的这种重新分配调节次级触点c1、c2之间的电流分布，从而得到指示存在b场的可测量的量。具体地，第一次级触点c1处的输出电流与第二次级触点c2处的输出电流之间的电流失衡量δi指示根据以下等式1呈现的磁场强度。
48.b
∝ic2-i
c1
＝ai
ꢀꢀ
等式1
49.此外，半导体装置10的相对灵敏度s可定义如下。
[0050][0051]
图2展示了第一漏极触点和第二漏极触点之间的电流失衡量δi如何随着磁场以及针对图1的半导体装置10中的温度范围而变化。如图所示，电流失衡量δi随着磁场基本上线性地变化。然而，在升高的温度下，δi随磁场变化的速率显示出减小。在图3和图4中示出了这对于装置10的相对灵敏度的影响。
[0052]
具体地，图3和图4展示了半导体装置10的相对灵敏度s在温度范围内如何随磁场变化。如图3所示，对于任何给定的温度，相对灵敏度s随着磁场是大致恒定的。然而，随着温度升高，装置10的相对灵敏度下降。在300k(大致为室温)下，gan基装置10的相对灵敏度大约为10％，然而，在高温(例如，450k)下，装置10的相对灵敏度下降至大约3.75％，与在低温下的硅基装置相当。
[0053]
应理解的是，电子迁移率随温度升高的相对降低可能是装置的漏电流和跨导的相应降低的主要促成因素，并且因此也降低了相对灵敏度。
[0054]
如在此所讨论的，此类装置的灵敏度随温度的这种降低必须被考虑在内以提供与所监测的电气部件相关联的磁场强度的准确测量。通常，这将需要特定装置灵敏度特性与温度的准确建模。在更高温度下降低的灵敏度可能使得难以准确地对这种特性进行建模，从而导致在使用中降低该装置的准确度。
[0055]
图5至图9展示了根据本发明的试图缓解这个问题的半导体装置110、210、310、410的实施例。
[0056]
图5、图7a和图7b示出了半导体装置110的第一实施例。装置110在结构上与前面附图中所示的装置10类似，并且包括衬底112和多个半导体材料层113a、113b。在所展示的实施例中，半导体材料包括gan和algan，但是其他材料同样可适用。
[0057]
主触点c以及次级触点c1和c2经由绝缘层115沿着与装置110的其余部分绝缘的栅极触点g一起被提供。层113b内的主区域114(例如，源极区域)与主触点c相关联。层113b内的次级区域116(例如，漏极区域)与次级触点c1、c2相关联。导电区域118设置在主区域114与次级区域116之间。
[0058]
在使用中，与半导体装置10一样，次级触点c1与c2之间的电流分布指示存在的磁场b。具体地，第一次级触点c1处的输出电流与第二次级触点c2处的输出电流之间的电流失
衡量δi指示如等式1呈现的磁场强度。
[0059]
这在图7a和7b中图示性地示出。具体地，图7a示出了不存在磁场b的半导体装置110。在此，电流失衡量δi为0，其中来自第一次级触点c1和第二次级触点c2两者的输出电流相等。在施加场b时，例如，在相关联的电气部件(此处示出为在与装置110垂直的方向上)的操作期间，如上所述，在洛伦兹力的影响下，改变在装置110内的电荷载流子的分布。这导致与存在的磁场的强度成比例的电流失衡量δi＞0。这在图7b中示出，其中i
c2
＞i
c1
。通过测量电流失衡量δi，可以确定磁场的强度。
[0060]
在此示出的半导体装置110与装置10的不同之处在于提供辅助触点a。如所示的，在该实施例中，辅助触点a设置在第一次级触点c1与第二次级触点c2之间。在使用中，并且如图7a和图7b所示，辅助触点a可操作地耦接至电流源120，以用于控制通过半导体装置110的电流流动。此外，电流源120的操作可以根据由可操作地连接至电流源120的温度传感器122测量的温度来控制。
[0061]
具体地，电流源120可操作地耦接至辅助触点a，以用于控制流过主触点c与第一次级触点c1和第二次级触点c2之间的半导体装置110的电流。以这种方式，半导体装置110被配置为使得电流源120的操作可以被控制以“增强”或“对抗”通过装置110的电流流动，否则电流流动可能由于温度而增大或减小。以此方式，流过装置110的电流可以在所有温度下被维持在基本上恒定的值，或者至少在半导体装置110的操作范围内的所有温度下和/或在由半导体装置110监测的电气部件的操作范围内的所有温度下被维持在基本上恒定的值。以这种方式，半导体装置110的灵敏度可以在一定温度范围内保持相对恒定。
[0062]
经由可操作地连接至电流源120和温度传感器122两者的控制单元124控制电流源120的操作。控制单元124包括电子处理器(未示出)，该电子处理器被配置成执行一个或更多个指令，以用于根据一个或更多个指令来控制电流源120的操作。如将理解的，一个或更多个指令可存储在与控制单元124相关联的存储器器件中，例如能够由控制单元124访问的本地或远程存储器器件。
[0063]
控制单元124可操作地经由电输出端连接至电流源120并且经由电输入端连接至温度传感器122。可以在指示由温度传感器122监测的温度的电输入端处接收一个或更多个信号。类似地，控制单元124可被配置为根据由温度传感器122监测的温度经由用于控制电流源120的操作的电输出端来输出控制信号。
[0064]
图6、图8和图9示出了根据本发明的半导体装置210、310、410的另一实施例。
[0065]
这些附图中所示的装置210、310、410基本上类似于图5、图7a和图7b中所示的装置110，并且相同的附图标记已用于表示相同的部件。
[0066]
在装置210、310、410中的每一个装置中，第一次级触点c1和第二次级触点c2相对于流过装置210、310、410的电流定位在辅助触点a的“前方”。具体地，第一次级触点c1和第二次级触点c2设置在沿装置210、310、410的长度的第一点处，而辅助触点a设置在沿装置210、310、410的长度的第二点处。
[0067]
图6中所示的半导体装置210包括与图5中所示的装置110类似的基本上矩形的配置。然而，次级触点c1和c2沿着装置210的长度从辅助触点a移位。
[0068]
图8和图9中所示的半导体装置310、410各自包括略微不规则(即，非矩形)的配置。如将认识到的，半导体装置的灵敏度与许多变量成比例，该许多变量包括装置的几何结构，
这是由于装置的几何结构对装置内的电荷载流子的分布有影响。因此，半导体装置的灵敏度还可以通过其几何结构的适当配置来改变。
[0069]
在图8中示出的半导体装置310同样在配置上基本上是矩形的。然而，装置310的主区域314和次级区域316的至少一部分可以具有小于装置310的其余部分的宽度。这里，次级触点c1、c2设置在沿着装置310的长度的、在宽度上更宽的点处，以维持次级触点c1、c2的分离。这种特定的布置，特别是通过减小主(例如，源极)区域314的尺寸，但是维持次级触点c1、c2的分离，可以进一步通过为电荷载流子提供穿过装置310的最佳或者至少改善的电流路径来增加装置310的灵敏度。
[0070]
在图9中示出的半导体装置410同样在配置上基本上是三角形的。装置410包括主区域414，当与图8中所示的装置310相比较时该主区域414在宽度上进一步减小。次级触点c1、c2被设置在沿着装置410的长度的最宽点处，以维持次级触点c1、c2的分离/使次级触点c1、c2的分离最大化。这种特定布置，特别是通过进一步减小主(例如，源极)区域414的尺寸，但是再次维持次级触点c1、c2的分离，可以进一步通过为电荷载流子提供穿过装置410的最佳或至少改善的电流路径来增加装置410的灵敏度。
[0071]
虽然装置210、310、410可以以与上述装置110基本相同的方式操作，但是在次级触点c1和c2用于在存在磁场b时测量装置210、310、410两端的电压而不是电流分布的情况下，这些附图中所示的布置可能是特别有用的。这利用了以下事实：再次由于洛伦兹力，电荷载流子在装置210、310、410内的分布根据施加到装置210、310、410的磁场的强度而改变。装置210、310、410内的电荷载流子的这种重新分布引起装置210、310、410两端的电势差，该电势差可以经由第一次级触点c1和第二次级触点c2来测量。例如，次级触点c1、c2可以可操作地连接到用于测量在第一次级触点c1和第二次级触点c2之间的装置两端的电压的器件，其中测量的电压与施加到半导体装置的磁场成比例。
[0072]
将认识到的是，虽然传感器110、210、310、410已经在此被示出为是栅控的——即经由栅极触点g——传感器110、210、310、410可以同样地是非栅控的。
[0073]
以上仅通过示例方式描述了一个或更多个实施例。在不脱离由所附权利要求提供的保护范围的情况下，许多变体是可能的。