[發(fā)明專利]基于石墨烯的霍爾集成電路及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110202706.2
• 申請日: 2011-07-19
• 公開（公告）號: CN102263121A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐慧龍;張志勇;彭練矛;王勝
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H01L27/22
• 分類號: H01L27/22;H01L43/06;H01L43/10;H01L43/14
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種霍爾集成電路及其制備方法，特別的，涉及一種同時(shí)采用石墨烯作為霍爾元件和晶體管的溝道材料的霍爾集成電路以及其制備方法。

背景技術(shù)

霍爾集成電路是在磁敏感的霍爾元件基礎(chǔ)上集成了放大器等單元后所組成的集成電路，又稱磁傳感集成電路，其應(yīng)用非常廣泛，可用于電流、功率、位移、壓力、速度、加速度、角度、角速度等參數(shù)的測量，因此在汽車安全裝置、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火定時(shí)、電流電壓傳感器、無刷電機(jī)、齒輪轉(zhuǎn)速檢測、過程控制中的無觸點(diǎn)開關(guān)、定位開關(guān)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。霍爾集成電路一般包含霍爾元件和放大電路，更復(fù)雜的還同時(shí)集成有溫度補(bǔ)償電路、穩(wěn)壓電源、恒流源等。其中，霍爾元件是其核心元件，該元件在磁場作用時(shí)可輸出電壓信號，即產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，一般輸出的電壓信號僅為毫伏量級，實(shí)際應(yīng)用中通常需要在其電壓輸出端集成一個(gè)或多個(gè)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的信號作放大處理。

霍爾集成電路目前主要采用硅材料制作(如Honeywell公司公布的一種硅基霍爾集成電路，美國專利US?6,903,429B2)，其優(yōu)點(diǎn)在于硅基霍爾集成電路制備工藝和主流的硅基CMOS工藝完全兼容，不需要額外的設(shè)備和工藝流程的支持，因而制備成本較低。但是在電路中處于核心地位的硅霍爾元件一般靈敏度較低、信噪比差，因而即使在后端集成放大器形成霍爾集成電路后，其敏感度也相對有限，輸出信號的信噪比也難以改善。此外，由于硅霍爾元件及放大器對溫度敏感，因而一般需要額外的溫度補(bǔ)償電路來克服其工作狀態(tài)隨溫度漂移的問題，這增加了硅基霍爾集成電路的復(fù)雜程度，也增加了制備成本。

此外還有基于InSb薄膜的霍爾集成電路，其中的霍爾元件用InSb制備，霍爾元件靈敏度高，但其后級的放大器電路很難繼續(xù)用InSb制備，一般轉(zhuǎn)為用Si制備，工藝兼容性差，這樣就極大地增加了工藝復(fù)雜性。

因此，需要開發(fā)出一種性能優(yōu)異的材料來制備霍爾集成電路，使得其中的霍爾元件有高靈敏度、低溫度漂移，其中的放大器有良好的放大能力和較低的溫度漂移，并且霍爾元件和放大器基于同種材料制備，工藝兼容性好。

石墨烯是指由單層或少數(shù)幾層呈正六邊形排布的sp²雜化C原子構(gòu)成的二維材料，其本征載流子遷移率遠(yuǎn)高于常用的半導(dǎo)體材料。作為一種特殊的導(dǎo)電材料，石墨烯已經(jīng)被證明能夠用于制作高性能的場效應(yīng)晶體管器件(例如，IBM公布了一種基于石墨烯材料的晶體管，美國專利US?7,732,859B2)。另外，石墨烯特殊的能帶結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特的散射機(jī)制，導(dǎo)致其載流子遷移率和載流子濃度對溫度并不敏感，因此，基于石墨烯的霍爾元件和場效應(yīng)晶體管都將具有很好的溫度穩(wěn)定性，例如，IBM報(bào)道了在液氦溫度到室溫都能正常工作且保持工作狀態(tài)恒定的石墨烯高頻器件(Wu?YQ等，Nature，2011年4月，doi：10.1038/nature09979)，這將保證基于石墨烯材料制備的集成電路在非常大的溫度范圍都會(huì)具有很好的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好、制作工藝簡單的霍爾集成電路。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種霍爾集成電路，包括霍爾元件和對霍爾元件輸出的霍爾電壓信號進(jìn)行放大的放大器，其中：所述霍爾元件包括一對激勵(lì)電極、一對霍爾電極和溝道，該霍爾元件的溝道材料是石墨烯，一對激勵(lì)電極分別與溝道兩端接觸，一對霍爾電極分別與溝道兩側(cè)接觸；所述放大器包括一個(gè)或多個(gè)場效應(yīng)晶體管，所述場效應(yīng)晶體管的溝道材料是石墨烯。

所述霍爾元件和放大器可集成在同一個(gè)芯片上，其中霍爾元件用于探測磁場強(qiáng)度，其輸出端連接到放大器的輸入端，用于信號放大。霍爾元件的激勵(lì)電極與石墨烯溝道兩端接觸以提供電流源或電壓源，霍爾電極與石墨烯溝道兩側(cè)接觸用于輸出霍爾電壓。輸出的霍爾電壓信號通過互連線連接到放大器上進(jìn)行放大。

本發(fā)明石墨烯霍爾集成電路還包括一個(gè)或多個(gè)電阻，以及各元器件之間的互連線，所述電阻和互連線可以是金屬材料的，也可以是石墨烯材料的。

上述放大器可以是由石墨烯場效應(yīng)晶體管以及電阻和/或電容等構(gòu)建的各種放大電路，如差分放大器、運(yùn)算放大器或其他類型的放大器。石墨烯場效應(yīng)晶體管是指溝道材料是石墨烯的場效應(yīng)晶體管，可以采用底柵結(jié)構(gòu)，也可以采用頂柵結(jié)構(gòu)。石墨烯場效應(yīng)晶體管包括石墨烯溝道，分別與石墨烯溝道兩端接觸的源、漏電極，覆蓋在石墨烯溝道表面的絕緣柵介質(zhì)，以及在柵介質(zhì)上的柵電極。