阅读说明：本技术 一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器 (Semiconductor magnetic field detector based on magnetostrictive effect ) 是由 不公告发明人 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器,在衬底的凹槽内设置磁致伸缩材料层和压电材料层,凹槽上、衬底上设置半导体层,半导体层上设置源极和漏极。探测磁场时,在磁场作用下,磁致伸缩材料层膨胀导致压电材料层被压缩,在压电材料层上出现电荷,从而改变半导体层中载流子的浓度,引起源极和漏极间的电信号变化,通过测试该电信号的变化实现磁场的探测。由于本发明中,源极和漏极之间的电信号对载流子浓度非常灵敏,所以本发明具有灵敏度高的优点。另外,可以选择不同的磁致伸缩材料以实现不同程度的膨胀,所以本发明具有量程宽的优点。(The invention provides a semiconductor magnetic field detector based on a magnetostrictive effect. When a magnetic field is detected, under the action of the magnetic field, the magnetostrictive material layer expands to cause the piezoelectric material layer to be compressed, and electric charges appear on the piezoelectric material layer, so that the concentration of current carriers in the semiconductor layer is changed, the electric signal change between the source electrode and the drain electrode is caused, and the detection of the magnetic field is realized by testing the change of the electric signal. In the invention, the electric signal between the source electrode and the drain electrode is very sensitive to the carrier concentration, so the invention has the advantage of high sensitivity. In addition, different magnetostrictive materials can be selected to achieve different degrees of expansion, so the invention has the advantage of wide range.)

一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器

技术领域

本发明涉及磁场探测领域，具体涉及一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器。

背景技术

磁场探测器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越重要的作用。随着技术的发展，人类对磁场探测技术的要求越来越高。传统的磁场探测器主要是基于霍尔效应、磁阻效应、磁通门效应及隧道效应的。这些传感器难以解决测量量程和测量精度方面的矛盾

中国发明专利申请201711455904.3“一种半导体磁传感器、其制备方法与使用方法”提出一种场效应晶体管结构，栅极有与半导体基底连接的具有压电效应的第一栅极以及与第一栅极连接的具有磁致伸缩效应的第二栅极组成。工作状态时，外磁场作用到磁致伸缩材料上，不会大幅度改变磁致伸缩材料对压电材料的压力，因为只有磁致伸缩材料置于第一栅极上，无论第一栅极与第二栅极作用如何，只有第二栅极的重力作用在第一栅极上，所以磁场探测灵敏度低。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器，该半导体磁场探测器包括衬底、凹槽、磁致伸缩材料层、压电材料层、半导体层、源极、漏极。衬底具有凹槽，磁致伸缩材料层置于凹槽的底部。压电材料层置于磁致伸缩材料层上，压电材料层的上表面为平面。压电材料层不低于衬底表面。半导体层覆盖凹槽。源极和漏极设置在半导体层上，并且源极和漏极置于凹槽的两侧。探测磁场时，磁场作用于磁致伸缩材料层，磁致伸缩材料层的膨胀导致压电材料层被压缩，在压电材料层上出现电荷，从而改变源极和漏极之间的电信号，通过测试该电信号实现磁场的探测。

更进一步地，磁致伸缩材料层为镍合金、铁基合金、铁氧体材料。

更进一步地，压电材料层为锆钛酸铅或聚偏二氟乙烯。

更进一步地，源极为铝或金，漏极为铝或金。

更进一步地，半导体层是含氮化镓与铝镓氮外延层的硅衬底。

更进一步地，磁致伸缩材料层的中部具有凸起。

更进一步地，在半导体层上、凹槽的中部设有贵金属块。

更进一步地，贵金属块为金。

更进一步地，贵金属块的宽度大于凹槽的宽度。

更进一步地，在金属块上还设有重物。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器，在衬底的凹槽内设置磁致伸缩材料层和压电材料层。探测磁场时，在磁场作用下，磁致伸缩材料层膨胀导致压电材料层被压缩，在压电材料层上出现电荷，从而改变半导体层中载流子的浓度，引起源极和漏极间的电信号变化，通过测试该电信号的变化实现磁场的探测。由于本发明中，源极和漏极之间的电信号对载流子浓度非常灵敏，所以本发明具有灵敏度高的优点。另外，可以选择不同的磁致伸缩材料以实现不同程度的膨胀，所以本发明具有量程宽的优点。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器的示意图。

图2是又一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器的示意图。

图3是再一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器的示意图。

图中：1、衬底；2、凹槽；3、磁致伸缩材料层；4、压电材料层；5、半导体层、6、源极；7、漏极；8、贵金属块。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种基于磁致伸缩效应的半导体磁场探测器，如图1所示，该半导体磁场探测器包括衬底1、凹槽2、磁致伸缩材料层3、压电材料层4、半导体层5、源极6、漏极7。衬底1为绝缘材料，例如二氧化硅。磁致伸缩材料层3为镍合金、铁基合金、铁氧体材料。特别地，磁致伸缩材料层3可以为铁镓或铁硅硼材料。压电材料层4可以选择压电系数较大的材料，以提高磁场探测的灵敏度，具体可以为锆钛酸铅或聚偏二氟乙烯。半导体层5可以为硅半导体材料或含氮化镓与铝镓氮外延层的硅衬底。源极6为铝或金，漏极7为铝或金。衬底1具有凹槽2。磁致伸缩材料层3置于凹槽2的底部，压电材料层4置于磁致伸缩材料层3上。压电材料层4的上表面为平面，压电材料层4不低于衬底1的表面。半导体层5覆盖凹槽2。源极6和漏极7设置在半导体层5上，并且源极6和漏极7置于凹槽2的两侧。

探测磁场时，磁场作用于磁致伸缩材料层2，磁致伸缩材料层2的膨胀导致压电材料层4被压缩，在压电材料层4上出现电荷，从而改变半导体层5中载流子的浓度，引起源极6和漏极7间的电信号变化，通过测试该电信号的变化实现磁场的探测。由于本发明中，源极6和漏极7之间的电信号对载流子浓度非常灵敏，所以本发明具有灵敏度高的优点。另外，可以选择不同的磁致伸缩材料以实现不同程度的膨胀，所以本发明具有量程宽的优点。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，磁致伸缩材料层3的中部具有凸起。也就是说在凹槽2的中心处，磁致伸缩材料层3高；凹槽2边缘处，磁致伸缩材料层3低。因为压电材料层4的上表面是平的，所以压电材料层4的中心位置薄、边缘厚。因为磁致伸缩材料层3中部厚，在磁场的作用下，磁致伸缩材料层3的中部产生更多的膨胀，对压电材料层4产生更多的压力，从而在压电材料层4的中部产生更多的电荷，更多地改变半导体层5中载流子浓度，更多地改变源极6和漏极7之间的电信号，从而提高磁场探测的灵敏度。

实施例3

在实施例1的基础上，如图3所示，在半导体层5上、凹槽2的中部设有贵金属块8。贵金属块8为金。贵金属块8的宽度大于凹槽2的宽度。一方面，贵金属块8提供重力，当磁致伸缩材料层3膨胀时，贵金属块8的重力抵制住压电材料层4向上的作用力，免得顶起来半导体层5，使得磁致伸缩材料层3的膨胀所产生的力，能够充分作用到压电材料层4上；另一方面，由于电场耦合作用，压电材料层4表面的电荷会在贵金属块8的下表面耦合产生异号电荷，这会增加半导体层5处的电场，更多地改变半导体层5中的载流子浓度，提高磁场探测的灵敏度。

更进一步地，还可以在贵金属块8上设有重物。该重物提供更多的压力，以保证使得磁致伸缩材料层3的膨胀所产生的力，能够完全作用到压电材料层4上，在压电材料层4表面产生更多的电荷，更多地改变半导体层5的载流子浓度，提高磁场探测的灵敏度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。