InSb/InxAl1-xSb/GaAs异质结构参数对霍尔传感器性能的影响研究

本研究针对InSb基霍尔传感器在磁灵敏度、温度系数和非线性等关键参数难以兼顾的难题，通过优化InSb/InxAl1-xSb/GaAs异质结构设计，实现了766 μV/mT的高灵敏度（37.5 Ohm/T）和0.045%/K的低温度系数。创新性采用双缓冲层降低缺陷密度，结合杂质带模型解析载流子行为，为高性能磁传感器开发提供新范式。

　　

在磁传感技术领域，InSb基霍尔传感器因其高电子迁移率备受关注，但长期存在灵敏度与温度稳定性难以兼得的困境。传统InSb/GaAs异质结构因晶格失配产生高缺陷密度，导致薄层InSb(<1μm)电子迁移率骤降至30,000 cm²/(V·s)以下。更棘手的是，降低掺杂浓度虽可提升灵敏度，却会加剧温度敏感性——这种"跷跷板效应"严重制约了传感器在宽温域环境中的应用。

为破解这一难题，D.Yu. Protasov团队在《Next Materials》发表研究，创新性地采用In_xAl_1-xSb缓冲层结构，通过分子束外延(MBE)技术生长出500 nm厚掺杂InSb层。研究首次建立考虑杂质带形成的载流子温度模型，揭示当掺杂浓度达3.17×10¹⁷ cm^-3时，传感器可在253-333K(-20~60°C)范围内同时实现766 μV/mT绝对灵敏度和<4%的温度漂移。

关键技术包括：1) 采用双缓冲层MBE生长工艺，通过RHEED实时监控In_0.85Al_0.15Sb/In_0.75Al_0.25Sb梯度缓冲层；2) 变场霍尔测量结合迁移率谱分析，解析高迁移率(n₁)与缺陷层电子(n₂)参数；3) 通过Ti/Au光刻制备十字型霍尔器件，采用磷酸基湿法刻蚀实现450μm×150μm有效区域隔离。

【异质结构参数优化】

TEM证实40nm缺陷层存在于InSb/InAlSb界面，其电子密度(2.4×10¹⁶ cm^-3)仅为体材料的7.6%，使非线性度控制在4% (±2T)。掺杂使InSb层电子迁移率保持在19,700 cm²/(V·s)，远超传统两步法生长的15,000-30,000 cm²/(V·s)。

【温度稳定性机制】

建立的n_e≈n_D+AT^3/2模型显示，3×10¹⁷ cm^-3掺杂使费米能级进入导带，温度依赖性主要来自态密度变化。实测灵敏度温度系数0.045%/K，较同类AlGaAs/InGaAs传感器(0.015%/K)更具电流承载优势。

【偏移电压控制】

统计32个传感器显示偏移电压ΔU_H主要源于：80%由霍尔接触非对称性(估算40nm错位)、16%来自地磁场(41μV)，自感磁场贡献仅11μV。优化光刻工艺后，最低偏移压降至50μV(20mA)。

该研究通过能带工程与缺陷控制的协同优化，首次在500nm InSb层实现灵敏度与温度稳定性的突破。提出的杂质带模型为窄禁带半导体器件设计提供新思路，而40nm缺陷层的精准表征方法对异质结质量评估具有普适意义。特别值得注意的是，37.5 Ohm/T的电流标度灵敏度已接近二维电子气传感器水平，但电阻值低两个数量级，为高精度、大电流磁传感开辟了新路径。