Kurzfassung

Mit Halbleitertechnologie gefertigte magnetische Sensoren zeigen eine elektrische Antwort, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Dieses elektrische Signal resultiert aus einer Reihe von physikalischen, als galvanomagnetisch bekannten, Effekten, nämlich die Auswirkung der Lorentz-Kraft auf in Bewegung befindenden Ladungen im Inneren des Sensors. Magnetische Sensoren werden dahingehend optimiert, dass, falls ein magnetisches Feld eingeprägt wird, die beweglichen Ladungen im Inneren des Sensors die größtmögliche Ablenkung erfahren. Die physikalischen Eigenschaften des Halbleiters spielen bei der Herstellung magnetischer Sensoren eine überaus wichtige Rolle.

Die Beweglichkeit der Ladungen ist einer der wichtigsten Parameter in magnetischen Halbleitersensoren. Da die Ablenkung der Ladungen ein direkt proportionales Verhältnis mit der Beweglichkeit aufweist, können auch schwächere magnetische Felder erkannt werden. Nichtsdestoweniger ist die Herstellung magnetischer Halbleitersensoren, deren Ladungen hohe Beweglichkeit aufweisen, sehr teuer und ist nur bei Fehlen anderer Alternativen sinnvoll. Darüberhinaus scheint eine Integration der Verarbeitungselektronik des Sensors auf demselben Chip empfehlenswert.

Die CMOS-Technologie ist die verbreiteteste und billigste Halbleitertechnologie. Die Verwendung von Silizium als Halbleiter ermöglicht die Produktion von Millionen identischer elektronischer Bausteine zu relativ niedrigen Preisen. Die Herstellung eines magnetischen Siliziumsensors mit CMOS-Technologie ist billig, da die Elektronik des Sensors einfach in einer integrierten Schaltung hergestellt werden kann. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Herstellung der Struktur des magnetischen Sensors ohne jegliche Änderung der Herstellungsschritte der CMOS-Technologie durchgeführt wird. Das Hinzufügen von Prozessschritten ohne eine Erhöhung des Endpreises des integrierten Sensors ist nicht möglich.

Der Split-Drain Magnetic Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MAGFET, ist die beste Alternative zur Herstellung von magnetischen integrierten Sensoren mit CMOS-Technologie. Ihre Herstellung bedarf keines zusätzlichen Prozessschrittes, sie ist zu 100% mit dem CMOS-Prozesses kompatibel. Die Verarbeitungselektronik des elektrischen Signals kann auf demselben Substrat wie der Sensors integriert werden. Die CMOS-Technologie wurde für die Herstellung von Hochleistungs-MOSFETs entwickelt, der MAGFETs nutzt den Inversionskanal eines typischen MOSFETs. Nichtsdestoweniger ist die Beweglichkeit der Ladungen im Inversionskanal nicht so hoch wie in reinem Siliziumsubstrat oder in einigen anderen Halbleitern.

Beim Split-Drain MAGFET ist der Drainkontakt in mehrere Teile geteilt. In Abwesenheit eines magnetischen Feldes verteilt sich der gesamte Strom gleichmäßig auf die Drains. Wenn ein magnetisches Feld senkrecht auf den Inversionskanal eingeprägt wird, sind die Drainströme nicht mehr gleich. Eine Stromdifferenz kann gemessen werden, die proportional zur Beweglichkeit der Ladungträger ist. Bei Raumtemperatur können nur große magnetische Felder gemessen werden, bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff funktioniert dies auch für schwache magnetische Felder. Darüberhinaus bietet die Tieftemperaturoperation weitere Vorteile, wie zum Beispiel ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.

Um die Beziehungen zwischen den elektrischen und den magnetischen Kräften innerhalb des Halbleiters besser verstehen zu können, sind dreidimensionale Simulationen notwendig, die Vektornatur der Lorentz-Kraft zwingt zu einer solchen Analyse. Im Gegensatz zu analytischen Modellen, die an konkrete Geometrien gebunden sind, kann der Einfluss geometrischer Faktoren genau untersucht werden. Die Potential- und Konzentrationsabweichungen der Ladunsträger, unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes können besser analysiert werden, wenn Simulationsergebnisse sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Temperatur von flüssigem Stickstoff (Nitrogen) vorliegen.

In dieser Dissertation werden Simulationergebnisse von Split-Drain MAGFETs präsentiert. Die experimentellen Ergebnisse aus Zwei-Drain MAGFETs lassen sich mit Simulationen bei Raumtemperatur und bei Temperatur von flüssigem Stickstoffe (Nitrogen) nachvollziehen. Eine Analyse der relativen Empfindlichkeit, die der hauptsächliche Gütefaktor von magnetischen Sensoren ist, wird für unterschiedliche Vorspannungen und Geometrien von Zwei- und Drei-Drain MAGFETs durchgeführt. Bei der Verwendung einer Diskretisierung, die ein willkürliches magnetisches Feld beachtet, werden die dreidimensionale Simulationen mit MINIMOS-NT durchgeführt.