JPH0342707B2 - - Google Patents
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- JPH0342707B2 JPH0342707B2 JP61198508A JP19850886A JPH0342707B2 JP H0342707 B2 JPH0342707 B2 JP H0342707B2 JP 61198508 A JP61198508 A JP 61198508A JP 19850886 A JP19850886 A JP 19850886A JP H0342707 B2 JPH0342707 B2 JP H0342707B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
- H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、電子・機械工業分野における各種の
計測・制御に用いられている磁気センサに関す
る。
計測・制御に用いられている磁気センサに関す
る。
従来、磁気センサ用半導体材料としては、Si、
Ge又は化合物半導体であるInSb、InAs、GaAs
などの単結晶薄板、蒸着膜、エピタキシヤル膜、
イオン注入層が一般に用いられている。
Ge又は化合物半導体であるInSb、InAs、GaAs
などの単結晶薄板、蒸着膜、エピタキシヤル膜、
イオン注入層が一般に用いられている。
しかし、上記の半導体材料にはそれぞれ欠点が
あつた。即ち、磁気センサの高性能化のために
は、高移動度の極薄膜材料が必要であるが、高移
動度が得られるインジウムアンチモン（InSb）
では極薄膜化が難しく、ガリウムヒ素（GaAs）
やシリコン（Si）で極薄膜の高移動度化が困難な
ため、高性能化には技術的に限界があつた。
あつた。即ち、磁気センサの高性能化のために
は、高移動度の極薄膜材料が必要であるが、高移
動度が得られるインジウムアンチモン（InSb）
では極薄膜化が難しく、ガリウムヒ素（GaAs）
やシリコン（Si）で極薄膜の高移動度化が困難な
ため、高性能化には技術的に限界があつた。
本発明は上記点に鑑み、高移動度を有し、かつ
極薄膜が可能な磁気センサを提供することを目的
としてなされたものである。
極薄膜が可能な磁気センサを提供することを目的
としてなされたものである。
一般に、半導体磁気センサの高性能化には、ホ
ール効果の大きい材料やデバイス構造が不可欠で
あるから、基本的な磁気センサであるホール素子
の設計原理を考える。長方形ホール素子におい
て、電流駆動、電圧駆動、電力駆動のそれぞれに
対するホール出力電圧は、次の式で表される。
ール効果の大きい材料やデバイス構造が不可欠で
あるから、基本的な磁気センサであるホール素子
の設計原理を考える。長方形ホール素子におい
て、電流駆動、電圧駆動、電力駆動のそれぞれに
対するホール出力電圧は、次の式で表される。
VH＝KMBI ∝KH ……(1)
＝（ｗ／ｌ）μHBV ∝μH ……(2)
＝（wKH μH／ｌ）1/2BP1/2
∝（KH μH）1/2 ……(3)
ここで、ｌ、ｗ及びｔは、素子の長さ、幅、厚
さ。
さ。
Ｉ，Ｖ及びＰは、入力電流、入力電圧、入力電
力。
力。
Ｂは、磁束密度。KHは、積感度＝（＝RH／ｔ＝
１／ns ｅ；PHは、ホール系数。nsは、キヤリヤ
面密度。ｅは、電子電荷）。μHは、ホール移動度。
１／ns ｅ；PHは、ホール系数。nsは、キヤリヤ
面密度。ｅは、電子電荷）。μHは、ホール移動度。
最大出力は、最大入力に対して得られるから、
(3)式から感度の性能指数MSF（Magnetic−field
Sensitive Figure of merit）を定義すると、 MSF＝（KH μH）1/2 ＝μH（ρ／ｅ）1/2 ∝μH ……(4) ここで、ρ＝１／neμ。素子と外部回路の整合
性を考えると、特性インピーダンスρ／ｔは、通
常、10Ωから10KΩの範囲にあることが望まし
い。ホール素子の高感度化には、この条件の下
で、移動度と積感度が大きい方が良い。積感度
は、キヤリヤ面密度（キヤリヤ密度と厚さの積）
の逆数に比例するから、高感度化には薄い能動層
が必要である。
(3)式から感度の性能指数MSF（Magnetic−field
Sensitive Figure of merit）を定義すると、 MSF＝（KH μH）1/2 ＝μH（ρ／ｅ）1/2 ∝μH ……(4) ここで、ρ＝１／neμ。素子と外部回路の整合
性を考えると、特性インピーダンスρ／ｔは、通
常、10Ωから10KΩの範囲にあることが望まし
い。ホール素子の高感度化には、この条件の下
で、移動度と積感度が大きい方が良い。積感度
は、キヤリヤ面密度（キヤリヤ密度と厚さの積）
の逆数に比例するから、高感度化には薄い能動層
が必要である。
一方、磁気センサが、微小な磁界の検出に用い
られる場合には、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が大き
いことが不可欠である。ホール出力と熱雑音VN
をとつて、Ｓ／Ｎ比を定義すると、 Ｓ／Ｎ＝VH／VN ＝（ｗ／ｌ）μHＢ（Ｐ／4kT）1/2 ∝μH ……(5) となる。ここで、ｋは、ボルツマン定数。Ｔは、
素子温度。Ｓ／Ｎを大きくするには、μHが大きい
ことが第１条件である。
られる場合には、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が大き
いことが不可欠である。ホール出力と熱雑音VN
をとつて、Ｓ／Ｎ比を定義すると、 Ｓ／Ｎ＝VH／VN ＝（ｗ／ｌ）μHＢ（Ｐ／4kT）1/2 ∝μH ……(5) となる。ここで、ｋは、ボルツマン定数。Ｔは、
素子温度。Ｓ／Ｎを大きくするには、μHが大きい
ことが第１条件である。
以上をまとめると、ある範囲の内部抵抗（例え
ば、外部回路との整合性を考慮すると、望ましい
素子の内部抵抗は10Ωから10KΩ）を有する条件
の下で、磁気センサを高性能化するには、高移動
度のキヤリヤを極めて薄い能動層に閉じ込めた構
造が必であることが判明した。
ば、外部回路との整合性を考慮すると、望ましい
素子の内部抵抗は10Ωから10KΩ）を有する条件
の下で、磁気センサを高性能化するには、高移動
度のキヤリヤを極めて薄い能動層に閉じ込めた構
造が必であることが判明した。
そこで、本発明では、バンドキヤツプの異なる
二種類の半導体、例えば、AlGaAsとGaAsのヘ
テロ接合構造を設けることにより、その境界の狭
い領域に電子を閉じ込めた二次元電子ガス層が形
成し、これを磁気センサ能動層として利用すると
ともに、このセンサの入出力電極を二次元電子ガ
ス層と複数箇所でオーム性接触を有するように形
成するという技術手段を採用する。
二種類の半導体、例えば、AlGaAsとGaAsのヘ
テロ接合構造を設けることにより、その境界の狭
い領域に電子を閉じ込めた二次元電子ガス層が形
成し、これを磁気センサ能動層として利用すると
ともに、このセンサの入出力電極を二次元電子ガ
ス層と複数箇所でオーム性接触を有するように形
成するという技術手段を採用する。
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて詳細
に説明する。
に説明する。
第１図は、本発明を特にホール素子用として適
用した場合のその概略構成図を示す。この場合、
バンドギヤツプの異なる２種類の半導体層４と５
のヘテロ接合部分には、高移動度の二次元電子ガ
ス層６が形成される。なお、第１図において２
ａ，２ｂはホール素子Ｈに電流を流すための電流
端子、３ａ，３ｂは、ホール素子Ｈに磁束密度Ｂ
の磁界を加えた時、発生するホール起電力VHを
取り出すためのホール端子である。
用した場合のその概略構成図を示す。この場合、
バンドギヤツプの異なる２種類の半導体層４と５
のヘテロ接合部分には、高移動度の二次元電子ガ
ス層６が形成される。なお、第１図において２
ａ，２ｂはホール素子Ｈに電流を流すための電流
端子、３ａ，３ｂは、ホール素子Ｈに磁束密度Ｂ
の磁界を加えた時、発生するホール起電力VHを
取り出すためのホール端子である。
次に上記ホール素子Ｈの具体的な構造およびそ
の製造方法について説明する。
の製造方法について説明する。
第２図は、AlGaAs層／GaAsヘテロ接合半導
体の構造を示しており、半絶縁性S.I.−GaAs基
板７の上に、ノンドープGaAs４、ノンドープ
AlGaAs５ａ，Siドープ、AlGaAs５ｂ，Siドー
プGaAs５ｃを順次分子線結晶成長法（MBE）
を用いて形成した。なお、他に有機金属気相成長
法、液相成長法等を用いてもよい。
体の構造を示しており、半絶縁性S.I.−GaAs基
板７の上に、ノンドープGaAs４、ノンドープ
AlGaAs５ａ，Siドープ、AlGaAs５ｂ，Siドー
プGaAs５ｃを順次分子線結晶成長法（MBE）
を用いて形成した。なお、他に有機金属気相成長
法、液相成長法等を用いてもよい。
この第２図からわかるように、二次元電子ガス
層２DEG６は、ノンドープGaAs層４のノンドー
プAlGaAs層５の側の境界面上に形成される。な
お、ノンドープAlGaAs層５を設けた理由は、ｎ
型のSiがドープされたAlGaAs層５ｂ中のSiがノ
ンドープGaAs４中に侵入するのを防止するため
である。
層２DEG６は、ノンドープGaAs層４のノンドー
プAlGaAs層５の側の境界面上に形成される。な
お、ノンドープAlGaAs層５を設けた理由は、ｎ
型のSiがドープされたAlGaAs層５ｂ中のSiがノ
ンドープGaAs４中に侵入するのを防止するため
である。
また、上述した、電流端子２ａ，２ｂおよびホ
ール端子３ａ，３ｂの電極として機能するAu−
Geオーム性電極２００が上記各層４，５ａ，５
ｂ，５ｃとオーム性接触を有するように形成され
ている。
ール端子３ａ，３ｂの電極として機能するAu−
Geオーム性電極２００が上記各層４，５ａ，５
ｂ，５ｃとオーム性接触を有するように形成され
ている。
なお結晶成長用の半絶縁性GaAs基板のクリー
ニングは、濃硫酸、過酸化水素水、純水の混合液
（容積比が４：１：１、液温摂氏60度）中で約１
分間エツチングし、結晶成長用真空槽の中でヒ素
の蒸気をあてながら熱エツチングを行つた。結晶
成長条件の代表例は以下の通りである。
ニングは、濃硫酸、過酸化水素水、純水の混合液
（容積比が４：１：１、液温摂氏60度）中で約１
分間エツチングし、結晶成長用真空槽の中でヒ素
の蒸気をあてながら熱エツチングを行つた。結晶
成長条件の代表例は以下の通りである。
１ Gaフラツクス：６×10-7 Torr
２ Asフラツクス：1.2×10-5 Torr
３ Alフラツクス：1.4×10-7 Torr
４ 結晶成長温度：摂氏630度
５ 結晶成長速度：1.2μ ｍ／hr（CaAs）
1.65μm／hr
（AlGaAs）
６ 第１層：ノンドープGaAs（500nm）
第２層：ノンドープAlGaAs（15nm）
第３層：SiドープAlGaAs（100nm）
第４層：SiドープGaAs（10nm）
ここで、Siドープ濃度は１×1018cm-3。
７ オーミツク電極はAuGe（７％から12％）／
Ni／Au蒸着膜の合金化による。
Ni／Au蒸着膜の合金化による。
試作したヘテロ接合ホール素子のエネルギーバ
ンドを第３図に示す。２次元電子ガス層は、Siド
ープしたAlGaAsから供給される電子で満たされ
るが、AlGaAs層中のキヤリヤが多すぎると、す
なわち、不純物量が多すぎるか、またはAlGaAs
層が厚過ぎると、電子移動度の小さい余剰キヤリ
ヤをもつAlGaAs層にも電流が流れる。これによ
つて、ホール出力が低下する。従つて、AlGaAs
層中の余剰キヤリヤを無くすようにヘテロ接合半
導体を作製することが重要である。
ンドを第３図に示す。２次元電子ガス層は、Siド
ープしたAlGaAsから供給される電子で満たされ
るが、AlGaAs層中のキヤリヤが多すぎると、す
なわち、不純物量が多すぎるか、またはAlGaAs
層が厚過ぎると、電子移動度の小さい余剰キヤリ
ヤをもつAlGaAs層にも電流が流れる。これによ
つて、ホール出力が低下する。従つて、AlGaAs
層中の余剰キヤリヤを無くすようにヘテロ接合半
導体を作製することが重要である。
第７図および第８図は、上記構成のホール素子
を具体的な磁気センサに適用する具体例を示し、
本例では、電流端子２ａ，２ｂ及びホール端子３
ａ，３ｂに形成するAu−Geオーム性電極２００
に多数のメサ型孔２０１を設け、この金属薄膜２
００を直接二次元電子ガス層６に接触させ、高移
動度を確保することにより電流電圧特性の線形性
を向上させることができる。また、上記のような
構造にすることによつて、オーム性電極２００と
半導体層４，５との境界に凹凸が多数できるた
め、従来の均一な電極構造に比べるとホール素子
の形状効果は小さくなり、大きなホール出力が得
られる。
を具体的な磁気センサに適用する具体例を示し、
本例では、電流端子２ａ，２ｂ及びホール端子３
ａ，３ｂに形成するAu−Geオーム性電極２００
に多数のメサ型孔２０１を設け、この金属薄膜２
００を直接二次元電子ガス層６に接触させ、高移
動度を確保することにより電流電圧特性の線形性
を向上させることができる。また、上記のような
構造にすることによつて、オーム性電極２００と
半導体層４，５との境界に凹凸が多数できるた
め、従来の均一な電極構造に比べるとホール素子
の形状効果は小さくなり、大きなホール出力が得
られる。
従つて本実施例よれば、ヘテロ接合半導体磁気
センサでは、単結晶バルクInSbにおいて達成で
きる最大の性能指数と同等の値が容易に得られ
る。これはGaAsのエピタキシヤル単結晶の２
倍、同イオン注入膜の３倍以上、さらに、Siに較
べて約10倍以上の優れた性能である。また、本発
明の特徴の一つは、磁気センサ用ヘテロ接合半導
体が高速トランジスタ（例えば、HEMT）用材
料として類似しており、一基板上でのセンサと信
号処理用トランジスタの集積化が可能であること
である。雑レベルが小さく、温度特性も良いた
め、従来の半導体材料では得られなかつた高性能
な磁気センサICの開発が期待され、利用の拡大
が見込まれる。
センサでは、単結晶バルクInSbにおいて達成で
きる最大の性能指数と同等の値が容易に得られ
る。これはGaAsのエピタキシヤル単結晶の２
倍、同イオン注入膜の３倍以上、さらに、Siに較
べて約10倍以上の優れた性能である。また、本発
明の特徴の一つは、磁気センサ用ヘテロ接合半導
体が高速トランジスタ（例えば、HEMT）用材
料として類似しており、一基板上でのセンサと信
号処理用トランジスタの集積化が可能であること
である。雑レベルが小さく、温度特性も良いた
め、従来の半導体材料では得られなかつた高性能
な磁気センサICの開発が期待され、利用の拡大
が見込まれる。
ここで、本実施例の磁気センサの特性につい
て、本発明者等が測定した測定値に基づいて説明
する。
て、本発明者等が測定した測定値に基づいて説明
する。
第４図及び第５図は、長さが346μmで幅が
200μmの十字形ヘテロ接合ホール素子の電気特性
を示す。磁界比例性は良く、極めて大きい積感度
1000V／ATが得られた。しかも、5.7V／Ｔ
（7.5mA）の最大磁束密度感度は、従来の磁気セ
ンサでは得られなかつた値である。
200μmの十字形ヘテロ接合ホール素子の電気特性
を示す。磁界比例性は良く、極めて大きい積感度
1000V／ATが得られた。しかも、5.7V／Ｔ
（7.5mA）の最大磁束密度感度は、従来の磁気セ
ンサでは得られなかつた値である。
第６図は、本発明のヘテロ接合磁気センサ
（2DEG）と現在使われている磁気センサの性能
を積感度KH、キヤリヤ移動度μH、感度の性能指
数（KHμH）1/2、特性インピーダンスρ／ｔの関係
を用いて比較したものである。本実施例による
と、従来の半導体材料では達成できなかつた高性
能化の条件を満足しており、予測通りの試作結果
を得ている。
（2DEG）と現在使われている磁気センサの性能
を積感度KH、キヤリヤ移動度μH、感度の性能指
数（KHμH）1/2、特性インピーダンスρ／ｔの関係
を用いて比較したものである。本実施例による
と、従来の半導体材料では達成できなかつた高性
能化の条件を満足しており、予測通りの試作結果
を得ている。
雑音特性と温度特性を調べた結果、雑音は約
1kHzで熱雑音レベルになり、温度特性もかなり
良い結果を得ている。また、AlGaAs／GaAsシ
ステムにおいては、Alの組成比の小さいものを
製作するか、又は、スーパードーピングにより
GaAsと同等の小さい温度依存性が見込まれる。
1kHzで熱雑音レベルになり、温度特性もかなり
良い結果を得ている。また、AlGaAs／GaAsシ
ステムにおいては、Alの組成比の小さいものを
製作するか、又は、スーパードーピングにより
GaAsと同等の小さい温度依存性が見込まれる。
第１表は、代表的な試作ホール素子の特性をま
とめたものである。
とめたものである。
■■■ 亀の甲 ［0013］ ■■■
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、極薄領域に
高移動度の二次元電子ガス層を形成と共に、入出
力電極をこの二次元電子ガス層と複数箇所でオー
ム性接触を有するように形成しているため、非常
に高感度でかつ薄型の磁気センサが得られ、計
測、制御の高精度、高速化に大きく貢献すること
ができるという優れた効果が得られる。
高移動度の二次元電子ガス層を形成と共に、入出
力電極をこの二次元電子ガス層と複数箇所でオー
ム性接触を有するように形成しているため、非常
に高感度でかつ薄型の磁気センサが得られ、計
測、制御の高精度、高速化に大きく貢献すること
ができるという優れた効果が得られる。
以下の図面は全て本発明の実施例を示し、第１
図はヘテロ接合ホール素子の概略構成図、第２図
及び第３図は、それぞれヘテロ接合ホール素子の
模式断面図及びエネルギーバンド図、第４図及び
第５図はヘテロ接合ホール素子の磁束密度−ホー
ル電圧特性図、及び入力電流−ホール電圧特性
図、第６図は、従来素子に対する本発明ヘテロ接
合ホール素子のキヤリヤ移動度−積感度の性能を
示す特性図、第７図は第１図〜第３図に示すホー
ル素子を磁気センサに適用した場合の斜視図、第
８図は第７図の部分断面図である。 ２ａ，２ｂ……電流端子、３ａ，３ｂ……ホー
ル端子、４……ノンドープGaAs、５ａ……ノン
ドープAlGaAs、５ｂ……SiドープAlGaAs、５
ｃ……SiドープGaAs、６……二次元電子ガス
層、２００……Au−Geオーム性電極、２０１…
…メサ型孔。
図はヘテロ接合ホール素子の概略構成図、第２図
及び第３図は、それぞれヘテロ接合ホール素子の
模式断面図及びエネルギーバンド図、第４図及び
第５図はヘテロ接合ホール素子の磁束密度−ホー
ル電圧特性図、及び入力電流−ホール電圧特性
図、第６図は、従来素子に対する本発明ヘテロ接
合ホール素子のキヤリヤ移動度−積感度の性能を
示す特性図、第７図は第１図〜第３図に示すホー
ル素子を磁気センサに適用した場合の斜視図、第
８図は第７図の部分断面図である。 ２ａ，２ｂ……電流端子、３ａ，３ｂ……ホー
ル端子、４……ノンドープGaAs、５ａ……ノン
ドープAlGaAs、５ｂ……SiドープAlGaAs、５
ｃ……SiドープGaAs、６……二次元電子ガス
層、２００……Au−Geオーム性電極、２０１…
…メサ型孔。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ バンドギヤツプの異なる異種半導体の接合部
に、高移動度の二次元電子ガス層を形成せしめる
ヘテロ接合構造を包含するヘテロ接合磁気センサ
において、 このヘテロ接合磁気センサには、前記二次元電
子ガス層と複数箇所でオーム性接触を有する入出
力電極が形成されていることを特徴とするヘテロ
接合磁気センサ。 ２ 前記ヘテロ接合構造は、不純物を含まない
GaAs層を不純物を含まないAlGaAs層に接合し、
かつこのAlGaAs層にｎ型不純物を含むAlGaAs
層を接合するように構成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載のヘテロ接合磁気
センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61198508A JPS6354785A (ja) | 1986-08-25 | 1986-08-25 | ヘテロ接合磁気センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61198508A JPS6354785A (ja) | 1986-08-25 | 1986-08-25 | ヘテロ接合磁気センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6354785A JPS6354785A (ja) | 1988-03-09 |
| JPH0342707B2 true JPH0342707B2 (ja) | 1991-06-28 |
Family
ID=16392301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61198508A Granted JPS6354785A (ja) | 1986-08-25 | 1986-08-25 | ヘテロ接合磁気センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6354785A (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| FR2691839B1 (fr) * | 1992-05-27 | 1994-08-05 | Schlumberger Ind Sa | Capteur a effet hall. |
| US8059373B2 (en) | 2006-10-16 | 2011-11-15 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands, B.V. | EMR sensor and transistor formed on the same substrate |
| KR100869962B1 (ko) * | 2006-12-07 | 2008-11-24 | 한국전자통신연구원 | 전류 확산층을 포함하는 발광소자의 제조방법 |
| US8035927B2 (en) | 2008-01-28 | 2011-10-11 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | EMR magnetic sensor having its active quantum well layer extending beyond an over-lying semiconductor layer end with tab and lead structure for improved electrical contact |
| CN115207207B (zh) * | 2022-09-14 | 2023-02-24 | 深圳市柯雷科技开发有限公司 | 基于复合氮化物和磁致伸缩材料结构的高灵敏度压力传感器制作方法 |
-
1986
- 1986-08-25 JP JP61198508A patent/JPS6354785A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6354785A (ja) | 1988-03-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |