Three-dimensional simulations of split-drain MAGFETs

Abstract

A solid-state magnetic sensor made with semiconductor materials generates an electric signal under the presence of a magnetic induction. This electric signal is the result of the Lorentz force on the mobile carriers and of a series of physical phenomena known as galvanomagnetic effects in semiconductors. A solid-state magnetic sensor is designed insuch a way that the interaction between the magnetic induction and the mobile carriers inside the semiconductor material gives a maximum response. The physical properties of the semiconductor material used to build up the sensor play an important role.The carrier mobility is the most important parameter for building magnetic sensors with semiconductor materials. Because the carrier deflection is proportional to the mobility of the carriers, the higher the mobility, the higher the deflection, and smaller magnetic inductions can be detected. However, building a magnetic sensor with semiconductormaterials that offers higher carrier mobilities is expensive and it is only worth while if there is no other given choice. Besides, integrating the electronics for the processing of the electric signal in the same chip of the magnetic sensor can be desirable.Among the various well established semiconductor processes, the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology is the most popular. Mainly based on silicon,one can produce millions of identical devices at very low cost. Building a magnetic sensor with silicon and taking advantage of the CMOS process steps results in low-costintegrated sensors, because the sensor electronics can be easily integrated. But this goal can be only reached if building the sensor structure does not modify the standard steps of the CMOS process. Post-processing steps cannot be made if the building costof the integrated sensor has to be kept low. The split-drain magnetic metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MAGFETfor short, is the ideal choice for integrated magnetic sensors in CMOS technology. Its fabrication does not need any post-processing step and actually it is full compatible withthe CMOS process. The electronics for the processing of the electric signal can be built in the same substrate as for the sensor. Actually, the CMOS technology is optimized for building MOSFETs and the MAGFET functionality is based on the inversion layer of a common MOSFET. However, the carrier mobility in the inversion layer of a MOÖSFETis not as high as in the bulk of silicon or even, of many other semiconductor materials.The split-drain MAGFET has its drain split into two or more drains. Under zero mag-netic induction operation, the drains equally share the total drain current. If a magnetic induction is applied perpendicular to the inversion layer of a MAGFET, the drain currents experience an imbalance. As a result, a differential current can be measured at the drains. This differential current is proportional to the mobility of the carriers. Atroom temperature, only large magnetic inductions can be detected. If the device is cooled to liquid Nitrogen temperature, the carrier mobility is increased and the differential current too. As a result, smaller magnetic inductions can be detected. Besides,cryogenic operation of silicon devices offers some advantages, as for example, bettersignal-to-noise ratios.For a better understanding of the electro-magnetic interaction inside the semiconductor materials, three-dimensional simulations are required. The vectorial nature of the Lorentz force requires such analysis in the space that three-dimensional simulations can properly make. Also, variations on geometric parameters can be better analyzed, because analytical approximations does not take properly into account such variations.Details on the potential and carrier concentration under the presence of a magneticinduction can be better understood if simulations are carried out at both, room temperature and liquid Nitrogen temperature.This thesis presents simulation results of split-drain MAGFETSs. Measurements of two-drain MAGFET'Ss are accurately reproduced by simulations at both, room temperature and liquid Nitrogen temperature. An analysis of the relative sensitivity, the main figure of merit of magnetic sensors, is made at various bias and geometric conditions for two-drain and three-drain MAGFET structures. By means of a discretization scheme that takes into account an arbitrary magnetic field, three-dimensional simulations have been performed with MINIMOS-NT.

A solid-state magnetic sensor made with semiconductor materials generates an electric signal under the presence of a magnetic induction. This electric signal is the result of the Lorentz force on the mobile carriers and of a series of physical phenomena known as galvanomagnetic effects in semiconductors. A solid-state magnetic sensor is designed in such a way that the interaction between the magnetic induction and the mobile carriers inside the semiconductor material gives a maximum response. The physical properties of the semiconductor material used to build up the sensor play an important role. The carrier mobility is the most important parameter for building magnetic sensors with semiconductor materials. Because the carrier deflection is proportional to the mobility of the carriers, the higher the mobility, the higher the deflection, and smaller magnetic inductions can be detected. However, building a magnetic sensor with semiconductor materials that offers higher carrier mobilities is expensive and it is only worthwhile if there is no other given choice. Besides, integrating the electronics for the processing of the electric signal in the same chip of the magnetic sensor can be desirable. Among the various well established semiconductor processes, the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology is the most popular. Mainly based on silicon, one can produce millions of identical devices at very low cost. Building a magnetic sensor with silicon and taking advantage of the CMOS process steps results in low-cost integrated sensors, because the sensor electronics can be easily integrated. But this goal can be only reached if building the sensor structure does not modify the standard steps of the CMOS process. Post-processing steps cannot be made if the building cost of the integrated sensor has to be kept low. The split-drain magnetic metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MAGFET for short, is the ideal choice for integrated magnetic sensors in CMOS technology. Its fabrication does not need any post-processing step and actually it is full compatible with the CMOS process. The electronics for the processing of the electric signal can be built in the same substrate as for the sensor. Actually, the CMOS technology is optimized for building MOSFETs and the MAGFET functionality is based on the inversion layer of a common MOSFET. However, the carrier mobility in the inversion layer of a MOSFET is not as high as in the bulk of silicon or even, of many other semiconductor materials. The split-drain MAGFET has its drain split into two or more drains. Under zero magnetic induction operation, the drains equally share the total drain current. If a magnetic induction is applied perpendicular to the inversion layer of a MAGFET, the drain currents experience an imbalance. As a result, a differential current can be measured at the drains. This differential current is proportional to the mobility of the carriers. At room temperature, only large magnetic inductions can be detected. If the device is cooled to liquid Nitrogen temperature, the carrier mobility is increased and the differential current too. As a result, smaller magnetic inductions can be detected. Besides, cryogenic operation of silicon devices offers some advantages, as for example, better signal-to-noise ratios. For a better understanding of the electro-magnetic interaction inside the semiconductor materials, three-dimensional simulations are required. The vectorial nature of the Lorentz force requires such analysis in the space that three-dimensional simulations can properly make. Also, variations on geometric parameters can be better analyzed, because analytical approximations does not take properly into account such variations. Details on the potential and carrier concentration under the presence of a magnetic induction can be better understood if simulations are carried out at both, room temperature and liquid Nitrogen temperature. This thesis presents simulation results of split-drain MAGFETs. Measurements of two-drain MAGFETs are accurately reproduced by simulations at both, room temperature and liquid Nitrogen temperature. An analysis of the relative sensitivity, the main figure of merit of magnetic sensors, is made at various bias and geometric conditions for two-drain and three-drain MAGFET structures. By means of a discretization scheme that takes into account an arbitrary magnetic field, three-dimensional simulations have been performed with MINIMOS-NT.

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, namlich 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 desHalbleiters 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 desSensors 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, MAG-FET, 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-MOSFET's entwickelt, der MAGFETSs nutzt den Inversionskanal eines typischen MOÖSFET's. Nichts-destoweniger 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 dieDrains. 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 dieTieftemperaturoperation 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 MAGFETSs 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 MAGFETSs durchgeführt. Bei der Verwendung einer Diskretisierung, die ein willkürliches magnetisches Feld beachtet, werden die dreidimensionale Simulationen mit MINIMOS-NT durchgeführt.

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, naemlich die Auswirkung der Lorentz-Kraft auf in Bewegung befindenden Ladungen im Inneren des Sensors. Magnetische Sensoren werden dahingehend optimiert, dass, falls ein magnetisches Feld eingepraegt wird, die beweglichen Ladungen im Inneren des Sensors die groesstmoegliche Ablenkung erfahren. Die physikalischen Eigenschaften des Halbleiters spielen bei der Herstellung magnetischer Sensoren eine ueberaus wichtige Rolle. Die Beweglichkeit der Ladungen ist einer der wichtigsten Parameter in magnetischen Halbleitersensoren. Da die Ablenkung der Ladungen ein direkt proportionales Verhaeltnis mit der Beweglichkeit aufweist, koennen auch schwaechere 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. Darueberhinaus 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 ermoeglicht 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 moeglich, wenn die Herstellung der Struktur des magnetischen Sensors ohne jegliche Aenderung der Herstellungsschritte der CMOS-Technologie durchgefuehrt wird. Das Hinzufuegen von Prozessschritten ohne eine Erhoehung des Endpreises des integrierten Sensors ist nicht moeglich. 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 zusaetzlichen 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 fuer 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 gleichmaessig auf die Drains. Wenn ein magnetisches Feld senkrecht auf den Inversionskanal eingepraegt wird, sind die Drainstroeme nicht mehr gleich. Eine Stromdifferenz kann gemessen werden, die proportional zur Beweglichkeit der Ladungtraeger ist. Bei Raumtemperatur koennen nur grosse magnetische Felder gemessen werden, bei Kuehlung mit fluessigem Stickstoff funktioniert dies auch fuer schwache magnetische Felder. Darueberhinaus bietet die Tieftemperaturoperation weitere Vorteile, wie zum Beispiel ein besseres Signal-Rausch-Verhaeltnis. Um die Beziehungen zwischen den elektrischen und den magnetischen Kraeften innerhalb des Halbleiters besser verstehen zu koennen, 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 Ladunstraeger, unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes koennen besser analysiert werden, wenn Simulationsergebnisse sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Temperatur von fluessigem Stickstoff (Nitrogen) vorliegen. In dieser Dissertation werden Simulationergebnisse von Split-Drain MAGFETs praesentiert. Die experimentellen Ergebnisse aus Zwei-Drain MAGFETs lassen sich mit Simulationen bei Raumtemperatur und bei Temperatur von fluessigem Stickstoffe (Nitrogen) nachvollziehen. Eine Analyse der relativen Empfindlichkeit, die der hauptsaechliche Guetefaktor von magnetischen Sensoren ist, wird fuer unterschiedliche Vorspannungen und Geometrien von Zwei- und Drei-Drain MAGFETs durchgefuehrt. Bei der Verwendung einer Diskretisierung, die ein willkuerliches magnetisches Feld beachtet, werden die dreidimensionale Simulationen mit MINIMOS-NT durchgefuehrt.