来源： 化合物半导体

英国的一个新的研究项目 CS-MAGIC（Compound Semiconductor MAGnetic Integrated Circuits，化合物半导体磁集成电路）很有可能会使宽带隙磁场传感器成为商业瞩目的焦点。 -- Rebecca Pool 报道

2017年底，英国硅晶圆企业 IQE 与卡迪夫大学的合资公司 Compound Semiconductor Centre（CSC, 化合物半导体中心）获得了略多于 35 万英镑的英国政府资金，用以开发具有基于 GaAs 和 GaN 材料的集成化电子器件的超灵敏磁传感器。

新的 CS-MAGIC 项目获得 InnovateUK（创新英国）经费奖励的时点正值业界分析人士预计磁场传感器领域即将迎来惊人成长之际。据市场研究咨询公司 Markets and Markets 预测，到 2023 年，磁场传感器的全球市场规模将从目前的 30 亿美元快速增长至 50 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 达 8.8%。与此相似，市场研究公司 Technavio 预测的 CAGR（从现在到 2020 年）为 10%。

现今，磁传感器的需求在很大程度上来自于汽车行业，该行业需要高度灵敏、坚固的霍尔效应传感器，以在引擎控制管理、防抱死制动系统等汽车单元中较宽的温度范围内映射越来越小的磁场。不过，航空航天和工业领域日益需要使用传感器来测量旋转、速度和线性位置。

正如英国曼彻斯特大学半导体器件和材料专业教授、InnovateUK 奖励经费获得者之一 Mohamed Missous 所说：“如今，我们正在开发的传感器所面对的工作环境比以往任何时候都更加严苛。”

他补充道：“目前市场有售的硅霍尔效应集成电路，当温度达到 150°C 时，它们就停止工作，因此采用 III-V 族半导体材料制成的器件引起了人们的极大兴趣和关注。”

而且，基于硅的传统器件还会饱受磁场灵敏度低、工作频率和温度范围有限，以及功耗高等不利因素之苦。因此，从他的角度考虑，Missous 一直在开发基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 系统的量子阱霍尔集成电路，而且还创立了位于英国的 Advanced Hall Sensors (AHS) 公司，旨在将其 2DEG 霍尔传感器推向市场。

器件制造采用的是分子束外延 (MBE) 技术，以把薄膜沉积在 GaAs 晶圆片上，接着通过后续的光刻、蚀刻、退火和金属蒸镀步骤，以及最后的晶圆切片和封装工序加工成霍尔传感器。

至关重要的是，量子阱是通过在两个较厚的 AlGaAs 层之间插入一层 InGaAs 薄膜生成的。形式为二维气体（即 2DEG）的电子被限制在这个较薄的层之内，而不是像在传统霍尔效应传感器中那样被置于“自由漫游”的状态，从而增强了电子特性。

的确，基于硅的线性霍尔集成电路能够在 10 Hz 带宽中检测低至 600 毫微特斯拉 (nT) 的磁场。但是，AHS 已经生产了基于 GaAs 的量子阱霍尔 2DEG 器件，该器件能在 10 Hz 带宽中检测低至 177 nT 的磁场。而且，先前的器件具有 10 kHz 的最大截止频率，而宽带隙器件版本则把该数字延伸至 200 kHz。

迄今，AHS 已经出货超过 1500 万颗分立传感器，不过，由于获得了英国政府的最新资助，Missous 和他的公司现在打算实现单芯片传感器的商品化，这种传感器具有较宽的动态范围，可在更加严酷的环境中工作。

这位研究者介绍说：“我们的全集成化芯片将是单芯片，其内置了量子阱霍尔效应传感器和所有的驱动电子器件。这将是全新的芯片；单芯片 GaAs 霍尔效应传感器现在根本就不存在。”

驱动电子器件也将基于 GaAs，这意味着整个芯片将具有更强的抗辐射性能，而且工作温度范围将比现有器件的更宽。其实，在温度范围方面，Missous 的目标是用单颗芯片覆盖 -200°C 至 200°C，而如今的硅器件所覆盖的温度范围则仅为 -50°C 至 150°C。

现在，AHS 正与业界伙伴 TWI 和 Renishaw 公司配合工作，以开发一种基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 层的通用结构。这一点应该会在明年 4 月得到确认，而到了之后的 11 月，封装器件的抽样检验工作应在进行之中。

Missous 说：“我们希望生产可在较高温度范围内工作的通用 IC，而一旦我们实现了这一目标，TWI 和 Renishaw 将测试器件并就其性能提供反馈意见。我们依靠这些合作公司来做这件事，这样我们就能根据他们的任何需要定制芯片。”

他补充说：“我们不希望制作非常复杂的电路，但是我们必需确保所有的电子器件与传感器保持同步。该电路将在非常宽广的温度范围内工作，并不会因此损失任何灵敏度或功能性。”

更上一层楼

与此同时，在 CS-MAGIC 项目的第二个组成部分中，来自斯旺西大学电子系统设计中心的 Petar Igic 正在从事的开发工作可被描述为基于 GaN 的下一波磁传感技术。

Igic 已经制作出了面向电源应用的 GaN HEMT，不过现在借助 InnovateUK 的最新资金投入，他准备开发基于其磁 HEMT 概念的分立传感器。

他说：“我们的目标一直是开发一种可与现有 HEMT 技术完全兼容的传感器。我们无需不同的原料配制或额外的工艺步骤，但是器件布局不同于 HEMT，因而使器件对于磁场具有很好的灵敏度。”

极为重要的是，基于 GaAs 的传感器能在最高 220°C 的温度条件下运行，而基于 GaN HEMT 的传感器则可在高达 400°C 左右的温度环境中保持自身的性能，正如 Igic 指出的那样，后者的制约因素是“合适封装和焊接工艺的开发进展情况”。

眼下，Igic 正致力于论证上述概念和优化器件布局，他希望这些工作可在未来的 12 个月内顺利完成。在此之后，他将着眼于针对具体应用定制器件，而且还将与封装公司进行合作。

显然，CS-MAGIC 研发项目基于 GaAs 的霍尔传感器比第二种基于 GaN 的器件更接近于商品化。但是，GaN 在严酷环境中的潜在性能提升是无可争辩的。

据 Igic 称，初步研究结果显示：基于 GaN 的传感器能够检测低至 100 nT 的磁场。更重要的是，器件灵敏度将不会随着磁场和高温而发生改变。

Igic 强调指出：“我们无法在价格上胜过硅材料，但是 GaN 器件将进入航空航天和汽车应用领域，因为它可在非常高的温度条件下工作，并且较少受到辐射的影响。我们将必须采用标准制造工艺来生产此类器件，但是其独特的卖点是：当 GaAs 器件停止工作时，GaN 器件仍在继续运行。”