[发明专利]一种石墨烯霍尔集成电路及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种霍尔集成电路及其制备方法，特别的，涉及一种由石墨烯霍尔元件和硅基CMOS集成电路集成在同一基底上的霍尔集成电路及其制备方法。其中，霍尔集成电路中的霍尔元件部分由石墨烯霍尔元件构成，霍尔元件后端所集成的信号处理电路由CMOS电路构成。

背景技术

霍尔集成电路是在磁敏感的霍尔元件基础上集成了放大器等单元后所组成的集成电路，又称磁传感集成电路、集成霍尔效应磁传感器等，可用于速度、加速度、角速度、电流、功率、位移等参数的测量，在机动车码表、汽车发动机点火装置、无刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关等领域有着广泛的应用。其中，霍尔元件是霍尔集成电路的核心单元，它通常是一个由半导体材料和一对输入电极、一对输出电极相连构成的四端器件。霍尔集成电路中，霍尔元件的后端电路通常包含一个或多个放大器，稳压器、恒流源电路等，更复杂的还同时集成有温度补偿电路、施密特触发器、A/D转换器等，用于提高霍尔元件的灵敏度，增加功能。

通常霍尔集成电路有两种，一种是单片式霍尔集成电路(Monolithic integrated circuit，亦称单片霍尔集成电路，通常简称为霍尔集成电路)，一种是混合式霍尔集成电路(Hybrid Hall effect integrated circuits，亦称混合霍尔集成电路，有时简称为双芯片霍尔集成电路)。单片式霍尔集成电路通常是硅霍尔集成电路(如Honeywell公司公布的一种单片式硅基霍尔集成电路，美国专利US 6,903,429 B2)。单片式霍尔集成电路的霍尔元件部分和电路部分分布在同一个硅衬底上，用相同的工艺制备而成，并且霍尔元件和后端电路通过微纳加工手段集成在一起。尽管硅霍尔集成电路已经被广泛应用，但是其电路中处于核心地位的硅霍尔元件一般灵敏度较低、信噪比差，这主要是由于硅材料本身迁移率较低，由于霍尔元件灵敏度和迁移率成正比，因而硅霍尔元件灵敏度自然也较低。这导致即使在硅霍尔元件后端集成放大器形成霍尔集成电路后，其敏感度也相对有限，输出信号的信噪比也难以改善。而实际应用中，对于霍尔集成电路(磁传感集成电路)的灵敏度要求总是在不断提高，这导致了混合式霍尔集成电路的出现。所谓混合式霍尔集成电路是指该电路中封装有两个或多个独立的芯片，通常是两个芯片，一个是霍尔元件芯片，一个是集成电路芯片，这两个芯片在不同的衬底上，两者通过点焊等非微纳加工手段进行连接。混合式霍尔集成电路中，霍尔元件芯片将磁信号转换为电信号，集成电路芯片将霍尔元件输出的电信号进行放大等处理后输出。其中，霍尔元件芯片通常是迁移率高于硅材料的其他半导体材料，如InSb、InAs、GaAs等，这样可以得到更高的灵敏度；而集成电路芯片通常为硅基CMOS电路，这是由硅基CMOS电路的低成本、高集成度、高可靠性等不可替代的优势决定的。然而GaAs、InAs、InSb等霍尔元件很难通过微纳加工手段和硅基CMOS电路集成到一起，只能通过点焊等相对低效的技术实现连接，这就导致双芯片制作复杂、效率低、成本高、电路可靠性下降，且芯片尺寸较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种灵敏度高且能和硅基CMOS电路兼容的单片式石墨烯霍尔集成电路(例如，图1显示了一个石墨烯霍尔集成电路，其中石墨烯霍尔元件对磁场产生响应输出正比于磁场大小的霍尔电压信号，该霍尔电压信号被传输到下一级的差分放大器中，并由差分放大器输出放大后的电压信号；其中稳压器的作用在于给石墨烯霍尔元件提供一个稳定的电压激励)及其制备方法。该霍尔集成电路的霍尔元件部分为石墨烯霍尔元件，主要由石墨烯材料构成；霍尔元件的后端电路为硅基CMOS电路，可以是基于体硅的CMOS电路，也可以是基于SOI(silicon on insulator)的CMOS电路，石墨烯霍尔元件和CMOS电路通过微纳加工手段集成在同一芯片上。

本发明的技术方案如下：

一种单片式霍尔集成电路，包括石墨烯霍尔元件和对霍尔元件输出的霍尔电压信号进行再处理的硅基CMOS电路。所述霍尔元件和CMOS电路通过微纳加工手段集成在同一个芯片上。

本发明集成电路中的石墨烯可以是单层的、双层的或者多层的石墨烯。所谓单层的石墨烯是指由呈正六边形排布的sp²杂化C原子构成的单原子层二维材料。相应的，双层石墨烯由两层单层石墨烯构成，多层石墨烯由多个单层石墨烯构成。