JPH06105802B2

JPH06105802B2 - 磁電変換素子

Info

Publication number: JPH06105802B2
Application number: JP59141678A
Authority: JP
Inventors: 隆揖野; 一郎柴崎
Original assignee: 旭化成工業株式会社
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1994-12-21
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPS6120378A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明はホール素子、磁気抵抗効果素子など磁界乃至
磁束を電気信号に変換する磁電変換素子に関するもので
ある。

「従来の技術」従来III−Ｖ族化合物半導体を用いた磁電変換素子の感
磁部は、半導体をフェライト等の基板上に接着したも
の、半絶縁性の半導体基板上に、その基板と同種の半
導体の活性層を形成したもの、絶縁体基板上に半導体
層を形成したものに大別される。

の例はInSbウエーハをフェライト基板上に樹脂で接着
し、その後、研磨法にてInSbの薄層を形成して作成した
磁気抵抗素子、の例はGaAsの半絶縁性基板上にイオン
注入により活性層を形成したホール素子、の例はアル
ミナ基板上に蒸着法によりInAsの半導体層を形成して作
ったホール素子等がある。

においては、磁電変換素子の性能に多大の影響を与え
る半導体活性層の厚さを所定値にするのが難しく、また
樹脂層の存在のため製作工程が複雑化する。について
は一般に半絶縁性基板を作成可能な半導体材料はバンド
ギャップが大きく、移動度が小さいために十分な感度が
得られない。の場合は基板がアモルファスまたは多結
晶であるので、その上に良好な単結晶の半導体層を形成
することが難しい。

また従来技術においてCrドープの半絶縁性GaAsの結晶性
が優れた基板上に蒸着やMBEやCVDなどにより化合物半導
体薄膜を形成することが知られていた。しかしこの場合
は格子定数を整合させるために化合物半導体薄膜の種類
が限定されていた。つまりGaAs基板に対しては同一材料
であるGaAsの半導体薄膜を形成するが、GaAsに対する格
子定数の差がわずか0.14％程度しか違いのないAlAsの半
導体薄膜を形成することしか知られていなかった。GaAs
の薄膜によりホール素子を作っても、その電子移動度は
5,000cm²/Vsec程度でしかなく高感度の素子は得られな
かった。AlAsは絶縁材であって磁電変換素子を作ること
はできない。

そこでこの発明の目的は半絶縁性の単結晶基板上に、こ
れよりも移動度の大きいIII−Ｖ族化合物半導体の良質
の膜を形成し、その半導体膜として各種のものを用いる
ことができ、しかも高感度かつ高信頼性の磁電変換素子
を提供することである。

「課題を解決するための手段」この発明の磁電変換素子によれば、半絶縁性のGaAs単結
晶基板の（111），（100）面、またはその面より10°以
内の傾きを持つ面上に、厚さが0.1〜10μm,電子濃度が
５×10¹⁵〜５×10¹⁸cm^-3の範囲内、室温で電子移動度が
4,000〜80,000cm²/VsecのInxAsy（Ｘ＋Ｙ＝２），また
はInxAsySbzまたはInxGayAsz（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝２）の２元
もしくは３元のIII−Ｖ族の高移動度化合物半導体膜が
形成され、その半導体膜上の所要の部分に電極が形成さ
れている。

さらに、その電極は感磁部（半導体膜）とオーミックコ
ンタクトする金属からなるコンタクト層と、そのコンタ
クト層上に形成され、ヤング率がAuのそれの２倍以上の
金属からなる中間層と、その中間層上に形成されたAuか
らなるボンディング層とを有する。

半絶縁性のGaAs単結晶基板を用い、しかも半導体薄膜形
成面を前記面とすることにより、格子定数の差が比較的
大きいが、III−Ｖ族の高移動度の各種の化合物半導体
薄膜の良質なものが得られ、従って移動度も大きく、高
感度のホール素子、磁気抵抗素子が工業的に容易に製造
可能になる。ちなみにGaAsに対する格子定数の差はInAs
が約7.2％,InAs_1-ySbyが7.2〜14.6％程度、InxGa_1-xAs
（0.3＜ｘ＜1.0）が2.2〜7.2％程度である。

またGaAsと他のIII−Ｖ族の化合物半導体との熱膨張係
数が非常に近いため、半導体膜作成時に発生する熱応力
が非常に小さい。また、基板からのGaまたはAsのオート
ドープがごくわずかあるが、半導体膜の電気的特性には
ほとんど影響を与えない。また基板と半導体膜との間に
熱の不良導体の層がなく、GaAsそのものが熱伝導が非常
に良いので、高温域での磁電変換素子の信頼性が非常に
高くなる。

以上のような理由で、半絶縁性のGaAs単結晶基板上に他
の高移動度の化合物半導体膜を形成することにより、高
感度で高い信頼性を有する磁電変換素子を工業的に容易
に製造することができる。

「実施例」この発明の磁電変換素子の１つであるホール素子の構造
の一例を第１図に示す。第１図において半絶縁性のGaAs
単結晶基板11の（111）面または（100）面、あるいはこ
れらの面に対し10°以下の傾きを持つ面上に、感磁部を
構成する高電子移動度の半導体膜14が形成され、半導体
膜14上にワイヤボンディング用電極15が形成される。こ
の電極15は半導体膜14と接続するコンタクト層16,その
上の中間層17,さらにその上のボンディング層18よりな
る。電極間の中央部の半導体膜14は感磁部19である。電
極15はAu,Al,Al−Si合金等の細線21でリードフレーム22
に接続される。リードフレーム22の端部を残して基板1
1,細線21などは、樹脂のモールド体23内に埋め込まれ
る。

第２図は第１図のホール素子を上面からみた状況を示
す。

第３図及び第４図はホール素子チップをリードフレーム
22を介することなく、プリント配線板に直接付けた例で
ある。すなわちプリント基板24に形成された配線25に細
線21が接続される。

この発明の磁電変換素子の電極構造は注意を要する。従
来III−Ｖ族半導体を用いた磁電変換素子の電極構造は
半導体膜にオーミックコンタクトを形成後、蒸着法等に
よりAu,Al等のワイヤボンディング性の良好な金属層を
形成し、これを300〜400℃付近に加熱して圧着もしくは
超音波によりAu,Al等の細線を接続する方法が用いられ
ている。しかるにこの方法をこの発明の磁電変換素子に
適用しようとすると２つの問題を生じる。その第１は基
板であるGaAs11と、その上に形成されたGaAs以外の化合
物半導体膜14とでは熱膨張率が異なるため、ボンディン
グ時に温度を十分に上げることができない。通常行われ
ているように300〜400℃に電極部の温度を上げると、基
板11と半導体膜14との界面に熱応力が集中し、信頼性の
低下もしくは基板11と半導体膜14との間のはく離が生じ
る。第２は基板11と半導体膜14とは、一般に密着性が十
分でないため、パワーの大きいエネルギーの超音波を与
えるとはく離が生じる。

そこで、半導体膜14とオーミック接合を形成し、かつ、
電極15と半導体膜間の熱応力をおさえるやわらかい金属
のコンタクト層16を形成し、その上に超音波を反射し、
外力が半導体膜14に加わることを防止するボンディング
層18に比して硬い中間層17を形成し、さらにその上にボ
ンディング性の良好な金属のボンディング層18を形成す
る。このようにして低温かつ弱い超音波パワーで高信頼
性のワイヤボンディング接合を可能としている。

ボンディング層18にはAuが用いられ、Au,Al,Al−Si合金
等の細線21との強固かつ高信頼性の結合を保障する。ボ
ンディング層18の形成には、無電解メッキ法、電界メッ
キ法、蒸着またはスパッタリングによるリフトオフ法等
の通常の半導体素子の電極形成に用いる方法が用いられ
る。ボンディング層18の層厚は特に限定されないが、通
常は0.1〜30μm,好ましくは0.1〜10μｍがよい。ボンデ
ィングの信頼性を向上するためにはボンディング層18は
厚いほど好ましいが、厚層の増大に伴う内部応力の増加
により層界面の密着性が低下すること、エッチングの切
れが低下すること、価格が増大することによりその上限
が決定される。

中間層17はNi,Fe,Ti,W,Cu等のボンディング層18に比し
て硬い金属層より成り、その形成にも無電解メッキ法、
電解メッキ法、蒸着またはスパッタリングによるリフト
オフ法などを用いることができる。この中間層17の効果
は主として下記の３点より成る。

（ａ）ボンディング時に電極15の面に対して垂直方向に
作用する力を、この中間層17に集中し、この力が半導体
膜14ないしは半導体膜14とコンタクト層16との界面に達
するのを防止する。

（ｂ）ボンディング時の荷重を電極15の全体に分散し、
荷重がツールの先端のみに集中することを防止する。

（ｃ）超音波を中間層17とボンディング層18との界面で
反射し、超音波が半導体膜14またはその界面に悪影響を
与えることを防止する。それと同時に超音波エネルギー
をボンディング層18に集中し、低いパワーの超音波エネ
ルギーで確実なボンディングを保障する。

この（ａ）または（ｂ）の目的のためには中間層17はボ
ンディング層18あるいはコンタクト層16に比してヤング
率が大きく、弾性限界の大きい金属が好ましい。（ｃ）
の効果を重視する時には、ボンディング層18またはコン
タクト層16での音速と中間層17での音速とができるだけ
異なるものとなる金属を用いることが好ましい。この
時、音速の不整合が大きいため、ボンディング層18と中
間層17との界面ないしはコンタクト層16と中間層17との
界面によって超音波が反射される。以上の条件を満たす
金属の好ましい例としてNi,Cu,Wがある。上記の中間層1
7に好ましい金属はAuに比して２倍以上のヤング率を有
し、音速度もAuの約２倍になる。中間層17としてCuを用
いることも好ましい。

中間層17の厚さは特に限定されないが、通常0.1〜30μ
m,より好ましくは0.1〜10μｍがよい。中間層17の効果
を有効に発揮するためには、層厚は大きいほど好ましい
が、層厚の増大に伴い、内部応力が増大し、層界面の密
着性が低下すると同時に、エッチングの切れが悪くなる
のでその上限が存在する。中間層17を余り薄くするとそ
の機械的強度が小となり、かつ容易に超音波も透過し、
中間層17を設けた意味がなくなる。

超音波の反射作用を有効に行うためには、中間層17を複
数の金属層で構成することが好ましい。隣接する層の音
速が大きく異なる金属を組み合わせれば、超音波は界面
を通過するごとに、界面の両側の金属の音速の不整合の
度合いに応じて反射されて、その振幅は大幅に減衰す
る。この構成例を第５図に示す。第５図においてAuのボ
ンディング層18の下にNi層31,Au層32,Ni層33が順次積層
され、これら３層31,32,33により中間層17を形成する。
超音波は層18と層31,層31と層32,層32と層33,層33と層1
6の合計４つの界面で反射される。中間層17はヤング率
（硬さ），弾性限界、音速の差の全体の特性がボンディ
ング層18に対し50％以上の差があればよい。

コンタクト層16はCu,Au,Al,Al−Si合金、Au−Ge合金、A
g,Ptまたは、これらの合金等の化合物半導体膜14と良好
なオーム性接合を形成し、化合物半導体膜14と類似の熱
膨張率を有し、かつ前記化合物半導体膜14と同程度で軟
らかい金属層より成る。このコンタクト層16により、半
導体膜14と電極15との良好なオーミックコンタクトを確
保し、かつ半導体膜14と電極15との間の熱応力を緩和す
る。コンタクト層16の形成には無電解メッキ法、電解メ
ッキ法、蒸着またはスパッタリングを用いたリフトオフ
法等が用いられる。層厚は特に限定されないが、通常0.
1〜50μm,より好ましくは0.1〜10μｍである。ボンディ
ングの信頼性を向上するためにはコンタクト層16は厚い
ほど好ましいが、層厚の増大に伴い内部応力が増加し、
層界面の密着性が低下すること、エッチング切れが低下
すること、Ag,Au,Pt等の貴金属を用いるときには価格が
増加することによりその上限が存在する。

InGaAs等の半導体膜14のようにオーミックコンタクトを
形成するのが困難なものを用いる場合、コンタクト層16
を複数にし、まずAu−Ge等の薄い層で半導体膜14とのオ
ーミック接合を形成した後に、中間層17に比して軟らか
い金属または中間層17に比して熱膨張率が半導体膜14の
それに近い金属をその上に形成して、２層でコンタクト
層16を形成する。この例を第６図及び第７図に示す。第
６図において、半導体膜14はInAs層とした場合で、この
半導体膜14上にAu及びGe合金層34が形成される。この合
金層34のGeの比率は0.1〜10重量％であり、この層34に
よりGaAs半導体膜14と電極15とのオーミック接合を確保
する。Au−Ge合金層34上にCu層35が形成され、これら２
層34,35でコンタクト層16を形成する。第７図におい
て、半導体膜14としてInAsxSb_1-x（０×１）膜を形
成した場合で、この半導体膜14上にAu層36が形成され、
そのAu層36上にCu層37が形成され、これら２層36,37で
コンタクト層16が形成される。コンタクト層16の形成に
は、無電解メッキ法、電解メッキ法、蒸着またはスパッ
タリングによるリフトオフ法等の通常半導体素子の電極
形成に用いられる方法を用いる。コンタクト層16の層厚
は特に指定しないが、0.1〜10μｍが好ましい。ボンデ
ィングの信頼性を向上させるためにはコンタクト層16は
厚いほど好ましいが、層厚の増大に内部応力が増大し、
層界面の密着性が低下すること、エッチング切れが低下
すること、Au,Ag,Pt等の貴金属を用いる場合には価格の
増大によりその上限が決定される。

半導体膜14の形成方法は、真空蒸着法、MBE法、CVD法、
MOCVD法、LPE法等通常の半導体膜を形成する方法であれ
ば何でもよい。特にMBE法は良質の多結晶もしくは単結
晶薄膜が形成できること、膜厚の制御性が非常に優れて
いること、膜形成が低温で出来るために基板からのオー
トドーピングが少なく、また熱応力も小さい等の理由で
非常に好ましい。

基板11に用いるGaAs単結晶基板は出来るだけ高抵抗であ
ることが好ましい。抵抗値は特に指定しないが、10⁴Ω
−cm以上であることが好ましい。通常はHB法もしくはLE
C法により形成されたCrドープもしくはアンドープの単
結晶インゴットより切り出した基板を用いる。基板の表
面は出来るだけ平滑であることが好ましい。結晶方位は
（1,1,1），（1,0,0）もしくはこれより１〜10°傾斜し
た方向に切り出した基板が用いられる。

磁電変換素子の電極15はAu,Al,Al−Si合金等の通常ワイ
ヤボンディングに用いられる細線21により、リードフレ
ーム22またはプリント基板上に形成された配線パターン
25等の導体に電気的に結合される。リードフレーム22に
結線する場合リードフレームの材質はCu,リン青銅等、
通常の半導体素子のリードに用いるものを利用できる。
また、ボンディング性を向上するためにリードの表面に
Au,Ag等のボンディング性の良好な金属の薄層を形成す
ることも好ましく行われる。

プリント基板24上に結線する場合において、用いるプリ
ント基板24は通常の電子部品の配線に用いられるもので
よい。その配線導体上にAu,Ag等のボンディング性の良
好な薄層を形成することも好ましく行われる。

モールド樹脂23の材質は、一般に電子素子のモールドに
使用されている樹脂でよい。好ましいものは、熱硬化性
樹脂で、エポキシ樹脂、フェノールエポキシ樹脂等があ
る。そのモールド方法は、通常の電子部品で行われてい
る方法でよく、例えば注型モールド、トランスファーモ
ールド、固型ペレットを素子上に置き加熱溶融後、硬化
してモールドする等の方法がある。

以上この発明の磁電変換素子の一例としてホール素子を
例にとり説明してきたが、他の素子、例えば磁気抵抗効
果素子についてもホール素子と電極形状、端子電極の個
数、感磁部のパターンが異なるが、ホール素子と全く同
様に電極形成がなされ、基本構成については同一であ
る。

以下、この発明を具体例を持って説明するが、この発明
はこれらの例のみに限定されるものではなく、先に述べ
た基本構造を持つ全ての磁電変換素子に及ぶものであ
る。

第１例表面を鏡面研磨した（1,0,0）GaAs単結晶基板11上に厚
さ1.5μm,電子移動度15,000cm²/VsecのInAs膜をMBE法に
より形成して半導体膜14を作った。次にフォトレジスト
を使用し、通常行われている方法でInAs膜14中の感磁部
19の表面上にフォトレジスト被膜を形成した。その後無
電解メッキを行い、銅を厚さ0.3μｍ所要の部位のみに
付着させた。さらに銅の厚付けを行うため、電解銅メッ
キを行い、厚さ４μｍのコンタクト層16を形成した。次
に上記のフォトレジストを再度用い、電極部のみに厚さ
２μｍのNi層の中間層17を電解メッキ法により形成し
た。さらにその上に電解メッキにより厚さ２μｍのAu層
のボンディング層18を形成した。次に上記のフォトレジ
ストを再度用い、フォトリングラフィーの手法により、
GaAs基板11の表面の一部、不要なInAs膜14及び、Au層中
のボンディング層18に不要な部分を塩化第二鉄の塩酸性
溶液でエッチング除去し、ホール素子の感磁部19及び４
つの電極部15を形成した。次に応力緩和用のシリコン樹
脂を感磁部の上に塗布した。

このウエーハーをダイシングカッターにかけ、1.1×1.1
mmの方形のホール素子チップに切断した。次にこれをリ
ードフレーム22のタイ上に接着した。次にペレットの電
極15とリードフレーム22とを高速ワイヤーボンダーを用
い、Au細線21で接合した。エポキシ樹脂によりトランス
ファーモールド法でパッケージ化した。

「発明の効果」このようにして製作したこの発明を適用したホール素子
の感度は第１表中のの如くであった。

第１表において、は半絶縁性GaAs基板上にイオン注入
法により感磁部を形成したホール素子、は石英基板上
にMBD法によりInAs膜を形成し、これを感磁部に用いた
ホール素子である。第１表の値は入力電圧1V,印加磁場5
00Gにおける出力電圧である。が高感度であることが
わかる。

また260℃10分の熱衝撃試験における抵抗の変化率を第
２表に示す。第２表において、はこの発明のホール素
子、は半絶縁性GaAs基板上にイオン注入法により感磁
部を形成したホール素子、は樹脂によって基板に接着
されたInSbの感磁部を有するホール素子である。この発
明のホール素子の耐熱性がイオン注入法によるGaAsホー
ル素子と同程度に優れていることがわかる。

このようにこの発明の磁電変換素子は高感度かつ高信頼
性を有する今までにない優れた総合性能を示しているこ
とがわかる。しかもこの発明によれば化合物導体膜の形
成面をGaAsの（111），（100）またはこれと10°以下の
傾きを持つ面としているため、III−Ｖ族の各種の高移
動度化合物半導体膜を形成することができ、それだけ材
料選択の自由度が増加し、かつ高感度の磁電変換素子を
得ることができる。ちなみにInAsの１μｍの膜の電子移
動度は15,000cm²/Vsec程度であり、GaAsの5,000cm²/Vse
cより著しく高い。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による磁電変換素子の実施例を示す断
面図、第２図は第１図の磁電変換素子のモールド体を付
せる前の平面図、第３図はこの発明の他の実施例を示す
平面図、第４図は第３図の断面図、第５図は中間層17が
複数の金属層より成る場合の電極構造の例を示す断面
図、第６図はコンタクト層16が複数の金属層より成る場
合の電極構造の例を示す断面図、第７図はコンタクト層
16が複数の金属層より成る場合の電極構造の他の例を示
す断面図である。 11:絶縁性GaAs単結晶基板、14:半導体膜、15:電極、16:
コンタクト層、17:中間層、18:ボンディング層、19:感
磁部、21:細線、22:リードフレーム、23:モールド体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半絶縁性のGaAs単結晶基板の（111），（1
00）面、または該面より10°以内の傾きを持つ面上にエ
ピタキシャル成長技術で形成されたInxAsy（ｘ＋ｙ＝
２）の２元、もしくはInxAsySbz、またはInxGayAsz（ｘ
＋ｙ＋ｚ＝２）の３元のIII−Ｖ族化合物半導体膜より
なる感磁部と、その感磁部と電気的に接続された電極部とを有し、上記電極部は、上記化合物半導体膜とオーミックコンタ
クトする金属からなるコンタクト層と、そのコンタクト層上に形成され、ヤング率がAuのそれの
２倍以上の金属からなる中間層と、その中間層上に形成されたAuからなるボンディング層と
を有することを特徴とする磁電変換素子。