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高性能石墨烯霍尔传感器
资料介绍
本文回顾了石墨烯霍尔传感器的相关研究工作.通过改善石墨烯生长转移和霍尔元件的微加工工艺,石墨烯霍尔元件和霍尔集成电路都展示出超越传统霍尔传感器的优异性能.石墨烯霍尔元件的灵敏度、分辨率、线性度和温度稳定性等重要指标都优于传统商用霍尔元件.通过开发一套钝化工艺,霍尔元件的稳定性有了明显提升.结合石墨烯材料的特点,展示了石墨烯在柔性磁传感和多功能传感领域的新颖应用.此外,成功实现了石墨烯/硅互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)混合霍尔集成电路,并进行了应用展示.通过发展一套低温加工工艺(不超过180℃),将石墨烯霍尔元件制备在硅基CMOS芯片的钝化层上,从而与硅基CMOS电路实现了单片集成.本文的研究结果表明石墨烯在霍尔磁探测方向拥有重大的性能优势,在产业化应用中有巨大发展潜力.
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专题: 与硅技术融合的石墨烯类材料及其器件研究
∗
高性能石墨烯霍尔传感器
黄乐 张志勇† 彭练矛‡
(北京大学电子系, 纳米器件物理与化学教育部重点实验室, 北京 100871)
( 2017 年 8 月 7 日收到; 2017 年 9 月 16 日收到修改稿 )
本文回顾了石墨烯霍尔传感器的相关研究工作. 通过改善石墨烯生长转移和霍尔元件的微加工工艺, 石
墨烯霍尔元件和霍尔集成电路都展示出超越传统霍尔传感器的优异性能. 石墨烯霍尔元件的灵敏度、分辨率、
线性度和温度稳定性等重要指标都优于传统商用霍尔元件. 通过开发一套钝化工艺, 霍尔元件的稳定性有了
明显提升. 结合石墨烯材料的特点, 展示了石墨烯在柔性磁传感和多功能传感领域的新颖应用. 此外, 成功实
现了石墨烯/硅互补型金属 -氧化物 -半导体 (CMOS) 混合霍尔集成电路, 并进行了应用展示. 通过发展一套
低温加工工艺 (不超过 180 °C), 将石墨烯霍尔元件制备在硅基 CMOS 芯片的钝化层上, 从而与硅基 CMOS
电路实现了单片集成. 本文的研究结果表明石墨烯在霍尔磁探测方向拥有重大的性能优势, 在产业化应用中
有巨大发展潜力.
关键词: 石墨烯, 霍尔传感器, 霍尔元件, 霍尔集成电路
PACS: 85.30.Fg, 85.75.Nn
DOI: 10.7498/aps.66.218501
在测试中环绕导线的磁芯将磁通汇聚在磁路中, 利
用固定于标定位置的霍尔传感器测试施加在霍尔
元件的磁场, 进而推算得到电流的大小. 基于霍尔
元件的电流探测器广泛应用于漏电监控、电子元件
可靠性监测和工业控制等安全领域. 霍尔元件的另
一类应用领域是机械传感. 具体而言, 借助霍尔传
感器可以实现包括位置、角度、速度、转速和加速度
在内的多种机械物理量的传感功能.
如图 1 (c) 所示, 将一个小磁体放置在待测目
标物体上, 霍尔元件放置于待测物体旁. 伴随着待
测物体的转动, 磁体也会周期性地经过霍尔元件表
面, 进而对霍尔元件施加一个周期性变化的磁场激
励信号. 通过测量电压信号的频率, 就能精确得到
待测物体的转速. 霍尔元件的另一类应用是地磁场
探测. 如图 1 (d)所示, 目前手机中使用的指南针功
能大多是利用霍尔元件探测地磁场完成的. 地磁场
1 引
言
1.1 霍尔传感器及其对材料的要求
霍尔传感器是目前使用最为广泛、应用领域最
为广阔的磁传感器 [1]. 霍尔传感器是根据霍尔效应
的基本原理制备而成. 如图 1 (a) 所示, 当在沟道材
料的水平端 V1 和V2 之间添加一个恒定的电源激励
(电压或者电流均可), 在垂直于平面的磁场激励下,
载流子发生偏转, 在传感器竖直端H1 和H2 会产生
一个正比于磁感应强度的电压信号 V . 与其他磁
H
传感器相比, 霍尔传感器具备的性能优点包括: 无
接触、抗干扰性强、线性度高等 [2]. 霍尔传感器的主
要应用领域有: 电流探测、机械探测和地磁场探测.
图 1 (b) 为霍尔元件进行电流探测的示意图. 在通
电导线的周围存在着正比于电流大小的磁场信号.
∗
国家重点研发计划纳米科技重点专项项目 (批准号: 2016YF0201900)、国家自然科学基金 (批准号: 61390504, 61621061) 和北京市
科学技术委员会先导与优势材料创新项目 (批准号: D161100002616001-3) 资助的课题.
†
‡
通信作者. E-mail:
通信作者. E-mail:
© 2017 中国物理学会 Chinese Physical Society
218501-1
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 66, No. 21 (2017) 218501
的大小约为 0.5 Gs (G, 1 G = 10−4 T), 使用高灵
敏度的霍尔传感器进行地磁场探测是非常合适的.
低的载流子浓度, 在磁探测的几项性能指标上各有
所长, 没有任何一种材料能够取得压倒性的优势.
例如在灵敏度和分辨率上, InSb 霍尔元件最好; 而
GaAs 材料的霍尔元件的温度稳定性最优. 20 世纪
60 年代后, 随着集成电路技术的兴起和不断成熟,
人们逐渐意识到单个霍尔元件往往难以满足实用
的要求, 因此开始出现了霍尔元件搭配信号处理电
路而成的霍尔集成电路产品. 而目前主流的霍尔集
成电路是硅的单片式霍尔集成电路和由 III-V 族霍
Power
supply
(a)
H1
Hall
V1
e
voltage
e
e
e
e
e
e
e
V2
H2
尔元件和硅基电路构成的分立式霍尔集成电路 [2]
.
Magnetic
field
接下来分析霍尔传感器的主要参数及其对材
料和制备工艺的需求. 霍尔传感器的参数包含性能
指标和可靠性指标两大类. 其中性能指标衡量的
是传感器对磁感应强度的探测能力, 包括灵敏度和
分辨率两个指标. 灵敏度表征的是传感器对磁场
α
(c)
(b)
B
Linear
Hall IC
信号的敏感程度. 如果将输出的 V 和输入的磁场
信号 (B) 绘制在同一张图表里, 那么这条曲线的斜
H
Hall effect IC
Core
I
率代表的就是霍尔传感器的绝对灵敏度 (absolute
[1,2]
sensitivity, S )
, 定义式如下:
A
(d)
∂V
H
S
A
=
.
(1)
∂B
绝对灵敏度除了与材料本身的特性相关外, 还
与激励的电压或者电流大小成正比. 如果剔除掉
电源对灵敏度的影响, 就能够得到霍尔传感器的电
[1,2]
流/电压相对灵敏度(S , S )
, 即
I
V
∂V
1
H
S = S /I =
,
(2)
(3)
I
A
C
图 1 霍尔传感器及其应用 (a) 霍尔效应原理图; (b) 霍
尔传感器在电流探测的应用; (c) 霍尔传感器在机械探测
的应用; (d) 霍尔传感器在地磁探测的应用
∂B I
C
1
∂V
H
∂B V
S
= S /V =
C
.
V
A
C
Fig. 1. Hall sensors and applications: (a) Schematics
of Hall effects; (b) the current detection application
of Hall sensors; (c) the mechanical detection applica-
tion of Hall sensors; (d) the geomagnetism detection
application of Hall sensors.
经过霍尔效应的微观推导, 可以得到霍尔元件
的相对灵敏度的决定式如下 [1]
:
1
S =
I
,
(4)
(5)
nqd
W
从 19 世纪 70 年代霍尔效应发现以来, 霍尔元
件最初是由金属材料制备而成的. 金属材料的载
流子浓度很高, 因此这个时期霍尔元件的灵敏度很
低, 性能较差. 从20 世纪 40 年代开始, 随着半导体
技术的蓬勃发展, 低载流子浓度、高迁移率的 III-V
族半导体材料和硅开始成为霍尔元件的主流制备
材料. 目前市场上制备霍尔元件的主流材料为砷化
S
= µ
,
V
L
其中 q 为电子的电荷量, d 为材料的厚度. 根据 (4)
和(5)式, 如果要得到高灵敏度的霍尔元件, 则希望
沟道材料具备低载流子浓度 n、薄 (小 d)、高迁移率
µ 和高宽长比 (W/L) 等特性. 目前商用的 III-V 族
霍尔元件的S 约为200 V/(A·T)
分辨率定义为霍尔传感器能够探测的最小磁
感应强度 (resolution, Bmin), 表征传感器的探测精
度. 制约分辨率的因素除了灵敏度外, 还有传感器
的噪声电压 [1,2,7,8]. 通过噪声电压和灵敏度的比值
[6]
.
I
[4]
[5]
镓 (GaAs) [3]、砷化铟 (InAs) 和锑化铟 (InSb)
等 III-V 族材料和异质结二维电子气材料. 这些材
料具备高载流子浓度、较薄的厚度, 霍尔元件的性
能非常优异. 这几种材料都拥有很高的迁移率、较
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