JPH0426172A - ホール素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、２００℃以上の高温化、あるいは放射線下、
酸、アルカリ、腐食性ガス雰囲気といった苛酷な環境下
でも安定に使用しうるホール素子に関する。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】通常、磁場の
大きさを簡単に測定する装置としては、半導体のホール
効果を利用したホール素子が用いられる。 ホール効果は、半導体材料に電流を流し、これに直角に
磁場を掛けたときに、これらに直角な方向に起電力が発
生するものである。これは電流、磁場に比例するので、
起電力の大きさから磁場の大きさを求めることができる
。電流、磁場の積と起電力の比例定数をホール係数とい
う。ホール係数は半導体材料のキャリヤに反比例する。 従来、ホール素子用の半導体材料としては、ＧａＡｓ１
１ｎＡｓ、　Ｉｎ５ｂ１等が用いられている。 これらの材料は、キャリヤの移動度が、室温でそれぞれ
、６０００ｃｍ２／　ｖ　Ｓ　％　３０００ｃｏ”　／
　ｖ　ｓ　ｚ　７１；００ｃｍ２／　ｖ　ｓと大きな値
であるので、ホール効果で生ずるホール電圧が大きい。 そのため磁場にたいする感度が大きくなるという優れた
特長があり現在広く用いられている。 感度を高めるため、これらの半導体中の不純物密度は低
いほうが良いとされている。通常１０１６〜ｌ　Ｑ　１
８ｃｍ−３のキャリヤ密度のものが良く用いられる。 ホール素子の性能は移動度とホール係数の積であるホー
ル移動度によって評価される。ホール係数はキャリヤ密
度に反比例する。Ｉ　ｎＳｂなど前述の半導体はホール
係数も移動度も大きくて最適のホール素子の材料である
と考えられている。

【発明が解決しようとする課題】

ＧａＡｓ、　１ｎＡｓ１１ｎＳｂ等の半導体材料は、室
温でのバンドギＪｒツブがそれぞれ、１．４５ｅＶ、　
０．３５ｅＶ、０゜１８ｅＶである。 室温で使うのであればこれらの材料は有用である。しか
し高温になるとこれらの材料では必ずしも十分でない。 これは二つの理由がある。 ひとつはバンドギャップの問題であり、もうひとつは熱
的な問題である。 ＩｎＡｓ、　ＩｎＳｂ等バンドギャップの小さい半導体
は５００°Ｃ以上に於いては、完全に真性領域に入って
いる。 真性領域というのは電子とホールの密度がほぼ等しい領
域という意味である。ホール効果というものは電子、ま
たはホールの何れか一方だけが存在するときに現れるも
のである。電子とホールの両方が存在すると互いの起電
力が打ち消しあってホール電圧が生じない。 このためこの温度では前記のＩｎＳｂ、　ＩｎＡｓなど
の半導体はホール効果を示さずホール素子として利用で
きない。 ＧａＡｓはややバンドギャップが大きいため５００’　
Ｃにおいては真性キャリヤ密度が約１０１′′／Ｃｍ’
、７００’Ｃにおいては１０”／ａｍ３である。故に不
純物密度を１０”／ｃｍ’以上の高濃度にしておけば感
度は悪くなるものの７００°Ｃ程度までは使用できるこ
とになりそうである。 しかし熱的な性質による制限がある。 ５００°Ｃ以上の高温下では、ＧａＡｓは結晶構造が崩
れる等化学的に不安定になり、電気的特性も安定しなく
なる。ホール素子としてはその特性が不安定になり耐久
性の乏しいものになる。 これらの問題を解決し高温の環境下でも使用できるホー
ル素子を提供することが本発明の目的である。

【問題を解決するための手段】

ダイヤモンドは不純物を添加することによって半導体と
しての特性であるｎ型或はｐ型の電気伝導を示す。従っ
てホール効果を利用した磁場センサーとして活用できる
。しかもダイヤモンドはバンドギャップが太きい。この
ため高温でも真性領域にはいらないで、何れかの伝導型
を取ることができる。また半導体として、熱的に安定で
あるだけでなく、化学的にも安定である。 前項で述べた問題点を解決するために、本発明のホール
素子は磁気検出部材料にダイヤモンドを使用する事を特
徴とする。 ダイヤモンド基板またはその他の基板の上にダイヤモン
ドの薄膜を形成し、電流を流すための電極と起電力を測
定するための電極をその上に設ける。 ホール素子としての幾何学的形状、寸法は任意である。 電極数は４．３．５等任意である。

【　　作　　用　　】

ダイヤモンドはそのままでは絶縁体であるが、Ｂをドー
ピングしてｐ型の半導体にすることができる。またｎ型
の半導体にすることもできる。 しかしキャリヤ移動度が１ｎｓｂ等に比べて低いので、
ホール素子の材料としては不適当と考えられている。こ
のためダイヤモンドを材料とするホール素子は現在存在
しないし、提案もなされていない。 ダイヤモンドは、バンドギャップが５．５ｅＶと大きい
。このため真性領域に相当する温度領域は、ダイヤモン
ドが熱的に安定な！４００’Ｃ以下には存在しない。 ここで真性領域というのは電子の密度とホールの密度が
同じ領域ということである。ｐ型またはｎ型にするとフ
ェルミ準位がバンドギャップの真中からすれるが、バン
ドギャップが広いので、フェルミ分布関数が伝導帯、価
電子帯のエツジにおいて極めて小さくなり得る。とくに
フェルミ準位に遠いほうのバンドでの密度が低く、両方
のキャリヤが混在するということがない。 真性領域であれば、電子、ホールが混在するのでホール
効果が現れない。ドーピングを適当に選べば、ダイヤモ
ンドは！　４００　’Ｃ以下であれば真性領域でないよ
うにできる。この点から言えばダイヤモンドは高温でも
ｐ型あるいはｎ型であることができ、ホール効果を示す
ことができる。 さらにダイヤモンドは熱的に極めて安定である。堅牢な
共有結合を持つので高温であっても結晶構造が乱れない
。 また化学的にも非常に安定である。 よって、ダイヤモンドで作製したデバイスは高温でも安
定にホール効果を示し、耐環境性、耐久性の優れたもの
となる。また、ダイヤモンドの熱伝導率は２０（Ｗ／ｃ
ｍ−Ｋ）と５１の１０倍以上であり、放熱性にも優れて
いるため、入力電流を大きくできる利点があり、これに
より、高感度で磁場を検出することが可能となる。 さらに、ダイヤモンドは不純物を含まないと絶縁体であ
るという特徴も有しているため、素子を作製する際、基
板として用いるダイヤモンドと動作層のダイヤモンドと
を電気的に完全に分離できるという利点がある。 さらに、この絶縁性ダイヤモンドを動作層半導体ダイヤ
モンドの上に形成し保Ｗ’ＡＭとして用いる事も可能で
ある。 本発明は、素子に応用する際に熱的な配慮が軽減され、
高温状態や高山力での使用に耐え得る磁気センサーを実
現できる。 ダイヤモンド膜は、原料ガスから気相合成によってダイ
ヤモンド膜成長用基材の上に形成できるダイヤモンド膜
を形成する方法としては、（１）直流または交流電界に
より放電を起こし、原料ガスを活性化する方法、 ■熱電子放射材を加熱し、原料ガスを活性化する方法、 （３）ダイヤモンドを成長させる表面をイオンで衝撃す
る方法、 （４）レーザーや紫外線などの光で原料ガスを励起する
方法、及び ■原料ガスを燃焼させる方法、 等各種の方法があるが、いずれの方法も本発明に用いる
ことができ、発明の効果は変わらない。 原料ガスとして、水素ガス、炭素含有化合物及び不活性
ガスを使用する。 炭素含有化合物としては、例えばメタン、エタン、プロ
パン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、プ
ロピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化水素；アセチ
レン、アリレン等のアセチレン系炭化水素；ブタジェン
等のジオレフィン系炭化水素；シクロプロパン、シクロ
ブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂環式炭
化水素；シクロブタジェン、ベンゼン、トルエン、キシ
レン、ナフタレン等の芳香族炭化水素；アセトンジエチ
ルケトン、ベンゾフェノン等のケ］・ン類；メタノール
、エタノール等のアルコール類；トリメチルアミン、ト
リエチルアミン等のアミン類；炭酸ガス、−酸化炭素等
を挙げる事ができる。 これらは、１種を単独で用いることもできるし、２種以
上を併用する事もできる。あるいは炭素含有化合物は、
グラファイト、石炭、コークス等の炭素原子のみから成
る物質であっても良い。 酸素含有化合物は、例えば、酸素、水、−酸化炭素、二
酸化炭素、過酸化水素である。 不活性ガスは、例えばアルゴン、ヘリウム、ネオン、ク
リプトン、キセノン、ラドンである。 ドーパントとしては、例えば、ホウ素、リチウム、窒素
、リン、硫黄、塩素、ひ素又はセレン等を含む化合物或
は単体を用いることにより、容易に、成長するダイヤモ
ンド結晶中に不純物をドーピングすることができ、ダイ
ヤモンド膜の抵抗を制御できる。また、何も不純物をド
ーピングさせない場合や、不純物のドーピングの方法次
第ではダイヤモンド膜を絶縁体とできる。

【実施例】

以下に本発明の実施例を示す。 （実施例■） 本発明で作製した磁気センサーの構造を第１図に示す。 単結晶ダイヤモンド基板４上にセンサ一部として、ボロ
ンをドープしたダイヤモンドＷＸ：３をマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法によって１．（Ｕｍ形成したその後、プラ
ズマエツチングにより図に示す形状にボロンドープダイ
ヤモンド層３を加工した。 電極１．２は、四か所（第１図）にメタルマスクを用い
て電子ビーム蒸着法によって形成した。 オーミック接続電極にする必要があるので、ＴＩ、”０
％　ＡｕをそれぞれＱ、２．０．１１０．２Ｌ１ｍの厚
さで、この順序で積層して形成した。 対向する一対の電極１．１は電流を流すためのもので、
それに直角な一対の電極は起電力を測定するためのもの
である。 第２図は、第１図のセンサーの３００’　Ｃにおけるホ
ール電圧の磁場特性を測定した結果を示すグラフである
。横軸は磁場（ガウス）、縦軸はホール電圧（ｍＶ）で
ある。縦方向に流している電流は１ｍＡである。このよ
うに磁場に対してホール電圧がＩＪ　ニヤに発生してい
る。ホール素子として有効に使えることが分かる。 またフッ酸蒸気中に室温で１週間放置してもその特性は
変わらなかった。化学的に極めて安定しているというこ
とである。 このような高温環境下や腐食性雰囲気中で本発明のホー
ル素子が安定した動作をすることを確認できた。 基板は上部のダイヤモンド膜が単結晶になるようダイヤ
モンドの単結晶基板を使用する事が最も望ましい。しか
しその他、ＡＩＮ　１Ａ／２０３．５ｂＪ４、ＳｉＯ２
、ＢＮ等絶縁性基板であってもその効果は殆ど変わらな
かった。これらの基板の上に形成されたものは多結晶膜
であった。 半導体ダイヤモンド膜はｐ型またはｎ型にするために、
Ｂｅ１Ｂ　Ｎ　Ｐ　ｚ　ＡＳ％　Ｓ　１Ｓｅ等の不純物
を添加させたものである。 特にＢをドープしてｐ型としたものはアクセプタ濃度を
制御し易く好ましがった。 電流を流し、あるいはホール起電力を測定するための金
属電極は、単元素金属であっても２種以上の金属の合金
であっても、また２Ｎ以上の金属の積層構造であっても
構わない。 耐酸性を向上させるためには最上表面をＡｕ、　Ｐｔな
ど耐酸性金属でコーティングされているのが好ましかっ
た。 素子の構造は３端子であっても、４端子であっても、５
端子であってもこの発明の効果は変わらない。 この実施例では４端子のものを示しているが、本発明に
従って３端子、５端子のものも同様に作製することがで
きる。 ３端子の場合は、４端子において隣接する電極の二つが
一つになっている構造である。このような構造でも対向
する電極に電流を流しながら、これに直交する方向の電
極に発生するホール起電力を求めることができる。５端
子の場合は４端子の構造の真ん中にもう一つの電極を設
けた構造になっている。 本発明は材料をダイヤモンドにするもので高温に耐える
ホール素子をあたえることができる。ホール素子の構造
寸法等は任意である。

【効　　果】

本発明のホール素子は耐熱性、耐環境性に優れた磁気セ
ンサーとして、有効である。特に５００℃程度の高温ま
で使うことができる。 これはひとつにはダイヤモンドのバンドギャップが大き
いので高温でも、真性領域に入らないということによる
。キャリヤは１種類で、そのために高温でもホール効果
が起こる。 またダイヤモンドは熱的にも安定しており高温でも結晶
構造が崩れない。 さらに化学的にも安定しており腐食性の雰囲気でも使用
できる。 ダイヤモンドの熱伝導度は極めて大きいので放熱性に優
れ入力電流を大きくできる。ホール素子の感度は電流に
比例する。本発明によれば電流■を増加させることによ
り容易に感度を上げることができる。 移動度の点では従来のＩｎＳｂ等のホール素子材料より
劣るが、本発明の素子にはこのような優れた点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るホール素子の概略斜視図
。 第２図は実施例に係るホール素子の電流９１ｍＡ３００
℃における磁場、ホール電圧の測定値を示すグラフ。 １・・ｅ・オーミック電極 ２φ拳・・オーミック電極 ３・・争・ボロンドープダイヤモンド薄膜４・・ΦΦダ
イヤモンド基板 発　　明　　者 西　　林　　良　　樹 中　　幡　　英　　章 塩　　見　　　　　弘 藤　　森　　直　　治

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　センサ部分に電流を流し、磁場と電流とに直角な方向
   に生ずる起電力を求めて磁場の強さを求める事としたホ
   ール効果を利用した素子であって、センサ部分の材料と
   して半導体ダイヤモンドを用いた事を特徴とするホール
   素子。