2017年11 月下旬，IQE 與卡迪夫大學(xué)的合資企業(yè)復(fù)合半導(dǎo)體中心從英國(guó)政府資金中籌集了超過 350,000 英鎊，用于開發(fā)具有基于 GaAs 和 GaN 材料的集成電子器件的超靈敏磁傳感器。

新 CS-MAGIC 項(xiàng)目獲得 InnovateUK 獎(jiǎng)之際，行業(yè)分析師預(yù)測(cè)磁場(chǎng)傳感器市場(chǎng)將出現(xiàn)驚人增長(zhǎng)。MarketsandMarkets 預(yù)測(cè)，到 2023 年，當(dāng)今 30 億美元的全球市場(chǎng)將猛增至超過 50 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 8.77%。同樣，Technavio 預(yù)測(cè)從現(xiàn)在到 2020 年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 10%。

目前，需求主要來自汽車行業(yè)，需要高度靈敏、穩(wěn)健的霍爾效應(yīng)傳感器，以在發(fā)動(dòng)機(jī)控制管理、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等更大的溫度范圍內(nèi)繪制越來越小的磁場(chǎng)。然而，航空航天和工業(yè)部門越來越需要傳感器來測(cè)量旋轉(zhuǎn)、速度和線性位置。

正如曼徹斯特大學(xué)半導(dǎo)體器件和材料教授、獲獎(jiǎng)?wù)咧?Mohamed Missous 所說：“我們現(xiàn)在正在為比以往任何時(shí)候都更惡劣的環(huán)境開發(fā)傳感器。”

“當(dāng)今市售的硅霍爾效應(yīng)集成電路達(dá)到 150oC 時(shí)，它們就會(huì)停止工作，因此由 III-V 族半導(dǎo)體制成的設(shè)備引起了極大的興趣，”他補(bǔ)充道。

此外，傳統(tǒng)的硅基設(shè)備還存在磁場(chǎng)靈敏度低、工作頻率和溫度范圍有限以及功耗高的問題。

因此，就 Missous 而言，他一直在開發(fā)基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 系統(tǒng)的量子阱霍爾 IC，還成立了英國(guó)的 Advanced Hall Sensors (AHS)，將他的 2DEG 霍爾傳感器推向市場(chǎng)。

器件使用分子束外延技術(shù)將薄膜沉積到 GaAs 晶片上，然后通過后續(xù)的光刻、蝕刻、退火和金屬蒸發(fā)步驟將其加工成霍爾傳感器，然后再進(jìn)行切片和封裝。

至關(guān)重要的是，量子阱是通過在兩個(gè)較厚的 AlGaAs 層之間插入薄 InGaAs 薄膜來產(chǎn)生的。電子——以二維氣體或 2DEG 的形式——被限制在這個(gè)較薄的層內(nèi)，而不是在傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器中自由漫游，從而提高了電子特性。

事實(shí)上，基于硅的線性霍爾 IC 可以檢測(cè)到 10 Hz 帶寬內(nèi)低至 600 納特斯拉左右的磁場(chǎng)。但 AHS 已經(jīng)生產(chǎn)出基于量子阱霍爾 2DEG GaAs 的器件，可在 10 Hz 帶寬內(nèi)檢測(cè)低至 177 nT 的磁場(chǎng)。雖然以前的設(shè)備的最大截止頻率為 10 kHz，但寬帶隙版本將這個(gè)數(shù)字?jǐn)U展到 200 kHz。

迄今為止，AHS 已經(jīng)出貨了超過 1500 萬個(gè)分立傳感器，但由于最新的資金，Missous 和他的公司現(xiàn)在打算將具有更寬動(dòng)態(tài)范圍的單芯片傳感器商業(yè)化，這些傳感器可以在更惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。

“我們的全集成芯片將是一個(gè)單一的芯片，里面有量子阱霍爾效應(yīng)傳感器和所有驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備，”研究人員說。“這將是全新的；目前還沒有單芯片 GaAs 霍爾效應(yīng)傳感器。”

驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備也將基于 GaAs，這意味著整個(gè)芯片將更耐輻射，并且將在比現(xiàn)有設(shè)備更寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。事實(shí)上，在溫度范圍上，Missous 的目標(biāo)是使用單芯片實(shí)現(xiàn) -200oC 到 200oC，而今天的硅器件覆蓋 -50oC 到 150oC。

目前，AHS 正在與行業(yè)合作伙伴 TWI 和雷尼紹合作，開發(fā)基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 層的通用結(jié)構(gòu)。這應(yīng)該會(huì)在明年 4 月得到確認(rèn)，到接下來的 11 月，封裝器件的采樣應(yīng)該正在進(jìn)行中。

“我們希望生產(chǎn)在更高溫度范圍內(nèi)工作的通用 IC，一旦我們實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，TWI 和雷尼紹將測(cè)試這些設(shè)備并提供性能反饋，”Missous 說。“我們依靠這些公司來做到這一點(diǎn)，以便我們可以根據(jù)他們的需要定制芯片。”

“我們不想要非常復(fù)雜的電路，但我們需要確保所有電子設(shè)備與傳感器同步，”他補(bǔ)充道。“該電路將在巨大的溫度范圍內(nèi)工作，而不會(huì)在這些范圍內(nèi)失去任何靈敏度或功能。”

提高標(biāo)準(zhǔn)

與此同時(shí)，在 CS-MAGIC 項(xiàng)目的第二部分，來自斯旺西大學(xué)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心的 Petar Igic 博士正在開發(fā)可稱為基于 GaN 的下一波磁傳感浪潮。

Igic 已經(jīng)制造了用于電源應(yīng)用的 GaN HEMT，但現(xiàn)在，憑借最新的 InnovateUK 資金，打算基于他的磁性 HEMT 概念開發(fā)分立傳感器。“我們的目標(biāo)是開發(fā)一種與現(xiàn)有 HEMT 技術(shù)完全兼容的傳感器，”他說。“我們不需要不同的起始材料或額外的加工步驟，但布局與 HEMT 不同，因此該設(shè)備對(duì)磁場(chǎng)敏感。”

至關(guān)重要的是，基于 GaAs 的傳感器可以在高達(dá) 220oC 的溫度下工作，但基于 GaN HEMT 結(jié)構(gòu)的傳感器可以在高達(dá) 400oC 左右的溫度下保持性能，正如 Igic 所說，這取決于“適當(dāng)封裝和焊接的發(fā)展”。

目前，Igic 正致力于驗(yàn)證這一概念并優(yōu)化設(shè)備布局，他希望這將在未來 12 個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)。在此之后，他將尋求為特定應(yīng)用定制設(shè)備，并且還將與包裝公司合作

顯然，CS-MAGIC 的基于 GaAs 的霍爾傳感器比第二個(gè)基于 GaN 的器件更接近商業(yè)化。但 GaN 在惡劣環(huán)境應(yīng)用中的潛在性能提升是無可爭(zhēng)議的。

據(jù) Igic 稱，初步結(jié)果表明，基于 GaN 的傳感器可檢測(cè)低至 100 nT 的磁場(chǎng)。此外，設(shè)備靈敏度不會(huì)隨磁場(chǎng)和高溫而改變。

“我們無法在價(jià)格上擊敗硅，但這種 GaN 器件將用于航空航天和汽車應(yīng)用，因?yàn)樗梢栽诜浅８叩臏囟认鹿ぷ鞑⑶覍?duì)輻射不那么敏感，”Igic 強(qiáng)調(diào)說。“我們將不得不在標(biāo)準(zhǔn)制造工藝中實(shí)施該設(shè)備，但其獨(dú)特的賣點(diǎn)是，當(dāng) GaAs 停止工作時(shí)，它仍然如此。”


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