DE2851330A1

DE2851330A1 - Magnetoresistives halbleiterelement

Info

Publication number: DE2851330A1
Application number: DE19782851330
Authority: DE
Inventors: Takeo Kimura; Kaoru Ohmura; Ichiro Shibasaki
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1977-11-29
Filing date: 1978-11-28
Publication date: 1979-06-07
Also published as: DE2851330C2; US4251795A; JPS5475284A

Description

Magnetoresistives Halbleiterelement

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Halbleiterelement mit einer auf einem isolierenden Substrat angeordneten länglichen dünnen Schicht aus Halbleitermaterial mit hoher Mobilität, das einen magnetosensitäven Abschnitt bildet, mit zwei an entgegengesetzten Enden des magnetosensitiven Abschnitts angeordneten und mit der Halbleiterschicht in ohmschem Kontakt verbundenen Elektroden und mit Kurzschlußstäben aus elektrisch leitendem Material, die zwischen den beiden Elektroden in gegenseitigern Abstand zueinander angeordnet sind.

Ein herkömmliches magnetoresistives Halbleiterelement, wie es_ in Figur 1 dargestellt ist, weist einen stromtragenden magnetosensitiven (auf ein Magnetfeld reagierenden)Al schnitt"5 in Form einer langgestreckter Halbleiterplatte oder eines dünnen Halbleiterfilms auf. An den beiden Enden des magnetosensitiven Teiles sind zwei Elektroden 1 und 2 angeordnet. Der Widerstand zwischen den Elektroden 1 und des Elementes ändert sich, wenn ein Magnetfeld auf das magnetosensitive Teil 5 einwirkt. Um die Widerstandsänderung bei Anlegen eines Magnetfeldes an das magnetoresistive Element zu vergrößern, werden normalerweise Metallstäbe oder Metallstreifen in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiterkörper angebracht, der das magnetoresistive Teil bildet, um die Hallspannung teilweise kurzuschließen.

Diese Streifen oder Stäbe werden als Kurzschlußstäbe bezeichnet. Kurzschlußstäbe bestehen aus leitendem Material und sind zwischen der Eingangselektrode 1 und der Ausgangselektrode 2 an dem Halbleiterkörper rechtwinklig zur Rieh-

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tung des Stromflusses angeordnet, wie in Fig. 1 durch 3 angegeben ist. Die Kurzschlußstäbe 3 unterteilen das magnetosensitive Teil, so daß schmale Abschnitte oder Bereiche gebildet werden. Das Verhältnis 1,/w zwischen der Länge L und der Breite w der Bereiche wird zur Erzielung eines möglichst großen Kurzschlußeffektes für die Hallspannung möglichst klein gehalten. Die einzelnen Abschnitte sind elektrisch in Reihe geschaltet, um ein einheitliches Element zu bilden. Da das Verhältnis 1 : w reduziert ist, ist der Widerstand des Halbleiterelelemtes für ein angelegtes geringes Magnetfeld quadratisch erhöht.Für ein angelegtes starkes Magnetfeld ist der Widerstand dagegen proportional erhöht, unabhängig von der Richtung des betreffenden Magnetfeldes.

Ein anderes bekanntes magnetoresistives Element enthält ein nadelförmiges NiSb^Material mit niedrigem spezifischem Widerstand. Das NiSb-Kristall wirkt als Kurzschlußstäbe, die eine ähnliche Charakteristik bewirken.

Bei den herkömmlichen magnetoresistiven Elementen,die nur an den beiden Enden Elektroden aufweisen, ist der Widerstand,der in Abwesenheit eines Magnetfeldes gemessen wird, stark temperaturabhängig. Wenn das Element benutzt wird, muß daher mit einer externen Schaltung die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes kompensiert werden. Beispielsweise werden zwei diskrete Elemente in Kombination benutzt, die in Reihe geschaltet werden, um eine Differenz-Ausgangsspannung zu erzeugen.

Man benötigt also zusätzliche Teile und Verbindungsmittel, um die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes zu beseitigen. Bei der Anwendung in Verbindung mit ver-

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schiedenen Bauteilen, wie kontaktlosen Mikroschaltern und kontaktlosen Potentiometern, haben diese Elemente nicht nur den Nachteil einer größeren Anzahl zusätzlich benötigter Teile, sondern es müssen auch noch integrierte Schaltungen (IC) zusätzlich eingesetzt werden, was zu einem relativ großen Gerät führt. Ohne die Temperaturkompensation ist die Anwendung des magnetoresistiven Elementes stark eingeschränkt, weil das Element nur in einer im wesentlichen konstanten Umgebungstemperatur arbeiten kann.

In der japanischen Offenlegungsschrxft 53-8180 (japanische Patentanmeldung 51-82 125, eingereicht am 10. Juli 1976, offengelegt am 25. Jan. 1958) ist ein Bauteil beschrieben, das zwei magnetoresistive Elemente einstückig auf einem Substrat enthält. Nur eines der Elemente wird einem Magnetfeld ausgesetzt, und es wird eine Differenz-Ausgangsspannung erzeugt. Wenn hierbei das Magnetfeld an beide Elemente angelegt wird, ändern sich die Widerstände der beiden Elemente gleichermaßen, so daß kein Differenzsignal entsteht. Es ist daher darauf zu achten, daß das Magnetfeld stets nur an eines der Elemente angelegt wird, damit eine Differenzspannung entsteht. Ein Bauteil, das ein solches einstückiges 'Element enthält, wird notwendigerweise sperrig.

Als Gegenmaßnahme ist das in Fig. 2 abgebildete Element mit drei Anschlüssen bekannt, bei dem ein Magnetfeld an das gesamte Element angelegt werden kann. Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, sind zwei aus dünnem Film bestehende ftiagnetosensitive Bereiche auf einer Fläche eines Substrats 8" in der Weise angebracht, daß sie geometrisch

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rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind". Zwischen die Elektroden 1 und 2 des Elementes wird eine Spannung gelegt. Beim Anlegen eines Magnetfeldes parallel zum Substrat erhält man eine Differenzspannung V , mit geringer Temperaturabhängigkeit an einer Zwischenelektrode. Diese Anordnung ist jedoch speziell auf ein ferromagnetisches magnetoresistives Element abgestellt, das aus einem magnetosensitiven Abschnitt aus ferromagnetischem Material besteht, und kann daher nicht bei magnetoresistiven Halbleiterelementen angewandt werden.

Die temperaturbedingte Änderung des Widerstandes des magnetoresistiven Halbleiterelementes ist wegen der ihm innewohnenden Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten Halbmaterials in der konventionellen Technik lange Zeit nicht genügend beachtet worden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein magnetoresistives Halbleiterelement zu schaffen, das eine im wesentlichen temperaturunabhängige Charakteristik hat und in seiner Gesamtheit einem Magnetfeld ausgesetzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen den beiden Elektroden eine dritte Elektrode angeordnet ist, die mit dem magnetosensitiven Abschnitt verbunden ist, und daß der Bereich zwischen einer der beiden ersten Elektroden und der dritten Elektrode keine Kurzschlußstäbe oder eine andere Konfiguration von Kurz-Schlußstäben enthält als der Bereich zwischen der anderen ersten Elektrode und der dritten Elektrode.

Das Halbleiterelement besitzt mindestens drei Anschlüsse und erzeugt eine Differenz-Ausgangsspannung unter Ver-

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Wendung eines Musters aus KurζSchlußstäben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bereich zwischen einer Hauptelektrode und einer mittleren Elektrode nicht mit Kurzschlußstäben versehen, wogegen der andere Bereich KurζSchlußstäbe aufweist. Die verschiedenen Bereiche haben daher unterschiedliche magnetische Empfindlichkeiten oder unterschiedliche Magnetoresistenzen.

Das Halbleiterelement läßt sich kleinformatig ausführen und hat einen großen geometrischen magnetoresistiven Effekt.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß beim Anlegen eines Magnetfeldes an das gesamte magnetoresistive Element oder einen Teil davon eine Differenz-Ausgangsspannung mit stark verminderter Temperaturabhängigkeit entsteht, wenn in den verschiedenen Bereichen zwischen den Elektroden des Elementes unterschiedliche Muster aus Kurzschlußstäben angeordnet sind bzw. in einem Bereich überhaupt keine Kurzschlußstäbe vorhanden sind.

Das magnetoresistive Element enthält einen Halbleiterbereich mit hoher Elektronenmobilität, der auf der Oberfläche eines Substrates angebracht ist und ein magnetosensitives Teil bildet. Dieses Teil ist durch die Elektroden, von denen mindestens drei vorgesehen sind, in Bereiche unterteilt. Die einzelnen Bereiche haben voneinander unterschiedliche Magnetosensitivitäten, jedoch gleiches Temperaturverhalten. Auf diese Weise findet eine Temperaturkompensation statt.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren

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einige Ausführungsbeispiele der Erfindung" näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines bekannten magnetoresistiven Halbleiterelementes,

Figur 2 eine schematische Ansicht eines bekannten ferromagnetischen magnetoresistiven Elementes mit drei Anschlüssen,

Figur 3A eine Draufsicht eines magnetoresistiven Halbleiterelementes zur Verdeutlichung der Grundkonstruktion,

Figur 3B einen Längsschnitt entlang der Linie IIIB-IIIB der Fig. 3A,

Figur 3C eine Schnittdarstellung zur Verdeutlichung einer Gießkapselung des Elementes der Fig. 3A,

Figur 4 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Operationen des Elementes in Fig. 3A,

Figur 5 eine Schnittdarstellung einer Modifizierung des Elementes nach Fig. 3A,

Figuren 6 bis 8 Schnittdarstellungen anderer Ausführungsbeispiele und . " . ■

Figuren 9A und 9B Draufsichten eines magnetoresistiven Halbleiterelementes zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens .

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In der nachfolgenden Beschreibung sind jeweils gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Ausdruck "Elektrode" wird zur Unterscheidung von den "Kurzschlußstäben" benutzt.

Figuren 3A und 3B zeigen jeweils eine Draufsicht und einen Schnitt der Grundkonstruktion eines magnetoresistiven Halbleiterelementes. Eine dünne Filmschicht oder eine dünne Platte 7 aus Halbleitermaterial mit hoher Elektronenmobilität wird auf einem isolierenden Substrat 8 gebildet und stellt das magnetosensitive Teil dar, das im wesentlichen Streifenform hat. Eine erste Elektrode 1 und eine zweite Elektrode 2 stehen an den Enden des Streifens in ohmschem Kontakt mit dem magnetosensitiven Teil. Eine dritte Elektrode 4 steht in ohmschem Kontakt mit einer Zwischenstelle des magnetoresistiven Teiles zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Das magnetosensitive Teil des Elementes besteht aus einem magnetosensitiven Bereich 5 zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 4, in dem ein Muster aus Kurzschlußstäben 3 angeordnet ist,und einem weiteren magnetosensxtive Bereich 6 zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 4, in dem keine KurzSchlußstäbe vorhanden sind.

Das Element mit der oben erläuterten Konstruktion ist abdichtend von einem Harz umschlossen und bildet das in Fig. 3C im Schnitt dargestellte Bauteil. An die Elektroden t und 2 sind jeweils Anschlußdrähte, z.B. Anschlußstifte, 9A und 9B angeschlossen, und die so entstandene Einheit ist mit Harz 10 umgössen. Von der Elektrode 3 führt ein nicht dargestellter Anschlußdraht in gleicher Weise ab.

Im Folgenden wird nun zunächst ein Verfahren zur Herstellun

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des magnetoresistiven Halbleiterelementes, mit der in den Fig. 3A-3C darstellten Konstruktion beschrieben.

Eine Schicht 7 aus einer dünnen Halbleiterplatte oder einem dünnen Halbleiterfilm wird auf dem isolierenden Substrat 8 durch Schneiden, Aufdampfen oder Zerstäuben eines Ein-Kristall-Materials gebildet. Die dünne Halbleiterplatte oder der Halbleiterfilm wird dann, beispielsweise durch Fotoätzen, behandelt, um das gewünschte Muster zu erzielen. Als nächstes werden die Elektroden 1, 2 und 4 und die KurzSchlußstäbe 3 an der Schicht 7 durch gezieltes Aufdampfen oder Plattieren unter Verwendung einer Fotoätzmaske angebracht (Fig. 3A und 3B).

Danach werden die Anschlußdrähte an den jeweiligen Elektroden durch Drahtverbindung oder Lötverbindung befestigt und das so erzeugte Bauteil wird vorzugsweise vergossen, beispielsweise mit Epoxyharz. Auf diese Weise entsteht das Bauelement mit drei Anschlüssen (Fig. 3C).

Die jeweiligen Elektroden müssen nicht notwendigerweise auf der Halbleiterschicht 7 angebracht werden, sondern sie können auch in diese Schicht eingebettet werden. Ferner können mindestens das Elementmuster auf dem Substrat oder das Element und das Substrat in Kombination zur Bildung einer Schutzschicht in ein anderes Harz, Glas oder Keramikmaterial eingebettet sein.

Im folgenden wird die Funktion des magnetoresistiven Halbleiterelementes mit drei Anschlüssen erläutert.

Wenn zwischen die erste und die zweite Elektrode 1 und 2 an den einander abgewandten Enden des magnetoresistiven Elementes eine bestimmte Spannung angelegt wird, nimmt

die dritte Elektrode 4 ein Potential an, -das durch das Widerstandsverhältnis der magnetosensitiven Bereiche 5 und 6 bestimmt wird. Das an der dritten Elektrode bestehende Potential ändert sich, wenn das Element in ein Magnetfeld .12 gebracht wird, das beispielsweise gemäß Fig. 4 von einem Permanentmagneten "M erzeugt wird, weil in den magnetosensitiven Bereichen 5 und 6 dann unterschiedliche Veränderungen stattfinden. Der mit den Kurzschlußstäben 3 ausgestattete magnetosensitive Bereich 5 ändert seinen Widerstand in stärkerem Maße als der magnetosensitive Bereich 6, wenn ein magnetisches Feld angelegt wird, so daß das Verhältnis der Widerstände zwischen den magnetosensitiven Bereichen 5 und 6 sich in Abhängigkeit von dem Anlegen oder Fortnehmen des Magnetfeldes ändert. Das Potential der dritten Elektrode ändert sich daher beim Anlegen eines Magnetfeldes.

Kurz ausgedrückt, erzeugt das magnetoresistive Element mit drei Anschlüssen eine Ausgangsspannung V ., die von der Differenz zwischen demjenigen Potential, das an der dritten Elektrode auftritt, wenn das Magnetfeld nicht an dem magnetosensitiven Bereich ansteht, und demjenigen Potential, das an der dritten Elektrode im Falle der Einwirkung eines Magnetfeldes auf den magnetosensitiven Bereich entsteht, gebildet wird, unter der Bedingung, daß eine konstante Spannung V. zwischen die erste und die

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zweite Elektrode gelegt wird.

In einem Element der oben erläuterten Konstruktion ist die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignales nur der Temperaturabhängigkeit der Elektronenmobilitat des Halbleitermaterials zuzuschreiben, das den magnetosensitiven Bereich bildet. In einem für mag-

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netoresistive Elemente benutzten Halbleitermaterial, bei spiels weiselnSb oder In Ga As (x+x+z^1),hat die Elektronenmobilität im allgemeinen eine geringere Temperaturabhängigkeit als der Hallkoeffizient und die elektrische Leitfähigkeit. Daher ändert sich die Ausgangsspannung des Elementes höchstens in dem Maße, wie die Elektronenmobilität des Halbleitermaterials aus dem der magnetosensitive Bereich besteht, sich ändert und die Temperaturabhängigkeit ist generell geringer als die Elektronenmobilität, was für praktische Anforderungen genügt. Bei einem Ein-Kristall aus InsB ändert sich beispielsweise die Elektronenmobilität in der Größe von 0,5 %/°C und die elektrische Leitfähigkeit ändert sich in der Größe von 3 %/°C in der Nähe der Raumtemperatur. Die Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elementes ändert sich daher bei Raumtemperaturen höchstens in der Größe von 0,5 %/°C, und diese'Temperaturabhängigkeit ist in der Größenordnung von 1/10 kleiner als die temperaturbedingte Widerstandsänderung der konventionellen Elemente, die 3 %/ C beträgt. Bei dem magnetoresistiven Element ist somit die Ausgangsspannung (geteilte Spannung) der als Ausgangselektrode dienenden dritten Elektrode 4 in ihrer Temperaturabhängigkeit erheblich verringert.

In Verbindung mit der Charakteristik des Halbleitermaterials, das für das magnetoresistive Element verwendet wird, bevorzugt man eine große Elektronenmobilität, die eine geringe Temperaturabhängigkeit hat.

Von diesem Standpunkt aus wird für das magnetoresistive Halbleiterelement vorzugsweise ein zusammengesetztes Halbleitermaterial (Halbleiterkompound) oder eine eutektische Legierung von Elementen der Gruppe III und der Gruppe V

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der periodischen Tabelle benutzt. Bevorzugt kann Si oder Ge verwendet werden. Man verwendet daher vorzugsweise ein Halbleibermaterial, das als Hauptbestandteil Elemente der Gruppe III und der Gruppe V enthält, wozu vorzugsweise die folgenden Substanzen gehören InSb, InAs, InP, InBi, GaSb, GaAs, Gap, GaN, AlSb, AlAs, AlP, NiSb, InAs P (0<χ<ΐ), eine eutektische Substanz

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aus InSb und NiSb _r eine eutektische Substanz aus InSb In, In Sb Ga (x+y+z=i} und eine ternäre eutektische Substanz aus In Sb Sn . Zusätzlich hierzu sind auch Si und Ge Materialien, die vorzugsweise benutzt werden können. Bei der Verwendung dieser Materialien werden ihnen generell Verunreinigungen oder Dotierungen zugesetzt.

Für die beabsichtigte Verwendung kann das oben erwähnte Material in Form eines Ein-Kristalls, Polykristalls, einer amorphen Substanz, einer eutektischen Substanz und eines Mischkristalls vorliegen, jedoch verwendet man vorzugsweise die Form des Einzelkristalls, PoIykristalle, einer eutektischen Substanz oder eines Mischkristalls.

Ein derartiger Halbleiterkörper wird in die Form einer dünnen Platte oder eines dünnen Films gebracht.

Der magnetosensitive Teil des Elementes, der beispielsweise aus den magnetösensitiven Bereichen 5 und 6 der Fig. 3A und 3B besteht, wird als einstückiges oder integrales Teil desselben Halbleitermaterials erzeugt, um sicherzustellen, daß die Temperaturabhängigkeit des magnetosensitiven Teiles so gering wie möglich gehalten und vorzugsweise zu Null gemacht wird. Wenn die magneto-

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sensitiven Bereiche aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen, müssen diese zweckmäßigerweise dieselbe Charakteristik haben, insbesondere dieselbe Temperaturabhängigkeit.

Die Konfiguration des magnetoresistiven Elementes ist nicht auf das in Fig. 3A dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann der magnetosensitive Bereich 6 aus Fig. A ebenfalls mit Kurzschlußstäben in einem Muster versehen sein, das sich von dem- jenigen des magnetosensitiven Bereichs 5 unterscheidet, so daß die magnetosensitiven Bereiche 5 und 6 unterschiedliche magnetische Eigenschaften erhalten. Dies bedeutet, daß beim Anliegen eines Magnetfeldes die Widerstandsänderungen in beiden Bereichen unterschiedlich sein müssen.

Praktisch kann man eine große Differentialspannung am Ausgang jedoch nur erreichen, wenn keine unnötigen zusätzlichen Kurschlußstäbe vorhanden sind, so daß man mehrere KurzSchlußstäbe entweder zwischen der ersten und der dritten Elektrode 1 und 4 oder zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 2 und 4 vorsieht.

Mehrere Kurzschlußstäbe bestehen aus metallischem Material von dem man weiß, daß es die Fähigkeit hat, ohmschen Kontakt mit der Halbleiterschicht 7 des Elementes herzustellen. Die KurζSchlußstäbe sind so angeordnet, daß sie geometrisch und elektrisch voneinander getrennt sind. Zu den metallischen Materialien die sich hierfür eignen gehören Kupfer, Silber, Platin, Palladium,Aluminium, Indium, Wismut, Legierungen dieser Medalle oder Mehrschichtmaterialien aus diesen Metallen. Diese Aufzählung ■ ist jedoch nicht vollständig. Der Kurzschlußstab kann die Form eines dünnen Filmes oder einer Stange haben.

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Die Kurzschlußstäbe sind entweder in dem 3ereich zwischen der ersten und der dritten Elektrode oder in dem anderen Bereich zwischen der zweiten und der dritten Elektrode angeordnet, um sicherzustellen, daß diese Bereiche unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber den magnetischen Feldern haben. Dies bedeutet, daß die Bereiche unterschiedlichen Widerstandsänderungen durch ein Magnetfeld erfahren müssen. Wenn beispielsweise der Bereich zwischen der ersten und der dritten Elektrode aus InSb-Material besteht, das als Kurzschlußstäbe wirkende stäbchenförmige NiSb-Kristalle hat, kann der andere Bereich zwischen der ersten und der dritten Elektrode nicht aus den stäbchenförmigen Kristallen des NiSb entfernt werden. Ein solches InSb-Material kann daher für das erfindungsgemäße Element nicht benutzt werden, weil man mit ihm unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber Magnetfeldern nicht erreichen kann. Die KurzSchlußstäbe müssen musterförmig so angeordnet werden, daß derjenige Bereich, in dem sie vorhanden sind, seine Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern ändert. Zu diesem Zweck reicht es aus, die Kurzschlußstäbe so anzuordnen, daß ihre Längen quer zur Stromrichtung des Elementes liegen. Anders ausgedrückt: Die Kurzschlußstäbe können quer zur Stromrichtung liegen, nicht aber parallel dazu. Die Kurzschlußstäbe müssen den Stromweg des Elementes nicht unbedingt rechtwinklig schneiden, wie dies in Fig. 3A dargestellt ist, sondern sie können auch schräg verlaufen. Am wirksamsten ist jedoch die rechtwinklige Anordnung.

Die Längen der jeweiligen Kurzschlußstäbe und die Abstände zwischen ihnen brauchen nicht immer konstant zu sein.

Aus Gründen der einfachen Herstellung werden jedoch gleiche Längen und gleiche Abstände bevorzugt.

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Für die erste, die zweite und die dritte Elektrode des Elementes verwendet man Materialien, die die Fähigkeit haben, ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterkörper des magnetosensitiven Abschnitts zu bilden. Die Verwendung eines solchen Metalls is generell üblich. Vorzugsweise verwendet man Au, Ag, Al, Pt, Pd, Cu, In, Bi, Sn, Pb, eine Legierung, einen Mehrschichtfilm und feine Stäbchen dieser Metalle.

Figur 5 zeigt eine Modifizierung des Elementes der Fig. 3a, bei der mehrere KurzSchlußstäbe 3 des magnetosensitiven Bereichs 5 mit unterschiedlichen Abständen und unterschiedlichen Stablängen angeordnet sind. Die dritte Elektrode 4 ist in ohmschem Kontakt mit den durchgehenden magnetosensitiven Bereichen 5 und 6 und kreuzt den Stromweg zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Mit der dritten Elektrode ist ein Anschlußdraht, beispielsweise ein Au-Draht verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist ein längeres Anschlußstück für die dritte Elektrode, wie es bei dem Element der Fig. 3A benötigt wird, nicht erforderlich.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der ein magnetosensitiver Bereich 6C, der keine Kurzschlußstäbe aufweist, schmal ausgebildet ist und eine geringere Breite hat als der magnetosensitive Bereich 5, der einen großen magnetoresistiven Effekt hat. Auf diese Weise kann die magnetosensitive Fläche auf dem Substrat verkleinert werden, so daß das Element insgesamt kleiner wird und die Anzahl der auf einer bestimmten Fläche des Substrats integrierbaren Elemente größer gemacht werden kann.

Die dritte Elektrode 4 kann in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet werden.

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Insbesondere wenn die dritte Elektrode so angeordnet. ist, daß der Widerstand zwischen der ersten und der dritten Elektrode 1 und 4 gleich dem Widerstand zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 2.und 4 ist, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, werden die Potentialdifferenz zwischen der ersten und der dritten Elektrode oder die Potentialdifferenz zwischen der zweiten und der dritten Elektrode gleich der Hälfte der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode wenn das angelegte Magnetfeld Null ist. Auf diese Weise ergibt sich ein günstiges Betriebsverhalten des Elementes.

Das für das Element benutzte Substrat muß einen hohen Widerstand haben. Es besteht vorzugsweise aus isolierendem Material oder aus einem Material, dessen Oberfläche einer Isolationsbehandlung unterzogen worden ist. In engem Kontakt mit diesem Substrat ist auf ihm ein Halbleiterkörper fest angeordnet, um das Element zu bilden. Der Halbleiterkörper kann insbesondere direkt oder über einen isolierenden Kleber gebildet werden.

Alternativ kann das Substrat eines isolierenden ferromagnetischen Materials oder eines ferromagnetischen Materials, de ssen Oberfläche einer isolierenden Behandlung unterzogen wurde, vorzugsweise benutzt werden, um die magnetische Empfindlichkeit zu verbessern. In diesem Fall eignet sich als Substrat ein Ferritmaterial, eine Weicheisenplatte, eine Permaloyplatte, eine Silikon-Stahlplatte oder eine Stahlplatte, die keinen Restmagnetismus hat.

Für das nichtmagnetische Substrat verwendet man Materialien, die generell für das Element-Substrat geeignet

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sind. Zu diesen gehören Harze (Einschlicht- oder Mehrschichtharze) , Glas, Quarzglas, Quarz,Keramik, Saphir, Mika und Steatit. Die Oberfläche des Substrats aus diesen Materialien kann mit einer Schicht aus Harz, Oxid o.dgl. versehen sein.

Figur 7 zeigt ein magnetoresistives Halbleiterelement, bei dem mehrere Zwischenelektroden (d.h. Abgriffe) zwischen den an den Enden des magnetosensitiven Abschnitts des Elements angeordneten Elektroden vorhanden sind. Die jeweiligen Zwischenelektroden können Ausgänge für unterschiedliche magnetische Empfindlichkeiten beim Anlegen eines Magnetfeldes bilden. Gemäß Fig. 7 sind die Zwischenelektroden (oder Abgriffe) 4a und 4b an dem magnetischen Abschnitt zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 angeordnet, um den magnetosensitiven Abschnitt zu unterteilen. Dabei wird ein magnetosensitiver Bereich 12 gebildet, der keine KurzSchlußstäbe enthält, während die magnetosensitiven Bereiche 13 und 14 mit KurzSchlußstäben ver- sehen sind.

Ein Muster 3a aus Kurzschlußstäben im magnetosensitiven Bereich 13 unterscheidet sich von dem Muster 3B aus Kurzschlußstäben im magnetosensitiven Bereich 14, so daß die beiden Bereiche unterschiedliche magnetische Empfindlichkeiten haben. Bei diesem magnetoresistiven Element mit vier Anschlüssen erhält man eine im wesentlichen temperaturkompensierte Ausgangsspannung, ohne die Notwendigkeit eines selektiv angelegten Magnetfeldes an der mittleren Elektrode wenn zwischen die zwei Anschlußelektroden eine Spannung gelegt wird, und zwischen dieseneine mittlere Elektrode vorhanden ist. Wenn beide mittleren Elektroden

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4A und 4B als unabhängige oder separate Ausgangsanschlüsse benutzt werden, können unterschiedliche
Differential-Ausgangsspannungen, d.h. unterschiedlich
geteilte Spannungen, von den jeweiligen Zwischenelektroden abgenommen werden, wenn ein Magnetfeld angelegt

wird. Das Spannungsteilerverhältnis kann in der gewünschten Weise entsprechend den Materialparametern und der
Anordnung der magnetosensitiven Bereiche 12, 13 und 14
sowie dem Muster der Kurzschlußstäbe gewählt werden.

Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, die generell zwei der in Fig. 3A dargestellten Elemente enthält, welche integral und parallel zueinander auf einem aus einem Chip bestehenden Substrat gebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind auf einem Substrat 8 die magnetosensitiven Bereiche 5a und 5b mit mehreren Kurzschlußstäben ausgestattet. Die magnetosensitiven Bereiche 6a
und 6b schließen sich jeweils an die Bereiche 5a und 5b an und sind frei von KurzSchlußstäben. Mit den gegeneinander isolierten magnetosensitiven Bereichen stehen mehrere Elektroden 1, 2a, 2b, 4a und 4b in ohmschem Kontakt. Die magnetische Empfindlichkeit kann verändert werden,
indem die Anzahl und Anordnung der Kurzschlußstäbe in den magnetosensitiven Bereichen 5a und 5b verändert wird.
Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich für die verschiedensten Anwendungen. Wenn beispielsweise die Elektrode 1 als gemeinsame Elektrode bezeichnet wird,die geerdet ist_r und wenn unterschiedliche Spannungen an die Elektroden 2a und 2b angelegt werden, kann man an den Elektroden 4a und 4b unterschiedliche Ausgangsspannungen erhalten, die bei einem angelegten Magnetfeld Differentialspannungen darstellen. Die Differential-Ausgänge können berührungslose Positionssensoren oder kontaktlose Näherungsschalter bilden

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Im Folgenden werden einige detaillierte Äusführungsbeispiele anhand der Figuren 9A und 9B beschrieben.

Beispiel 1

Aus einem InSb-Ein-Kristall mit einer Elektronenmobilität

von 70.000 cm /V·see wurden Plättchen hergestellt.

2 Die Plättchen hatten eine Flächengröße von 6,4 cm . Ein Plättchen wurde auf ein 1,0 mm starkes Epoxydsubstrat aufgeklebt und dann auf eine Stärke von 6 ,u geläppt.

Diese dünne InSb-Platte wurde dann mit einem Fotoresist-Material des Typs KTFR von Kodak beschichtet und unter Verwendung einer wässrigen Chlor-Eisen-Lösung in einem Fotoätzverfahren behandelt, so daß das in Fig. 9A mit 7 bezeichnete Muster entstand. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet das Substrat, das im vorliegenden Fall ein Epoxydsubstrat ist.

Danach v/urde das Eotoresistente KTFR-Material erneut auf einen Teil des Musters aufgetragen, mit Ausnahme eines Raumes für die Bildung der Elektroden und der Kurzschlußstäbe. Danach wurde das Muster durch elektrofreies Plattieren mit einem Metall plattiert, wobei eine 1 ,u dicke Ablagerung aus Kupfer und eine 0,2 ,u dick Ablagerung aus Silber aufgebracht wurde. Auf diese Weise wurden die erste, zweite und dritte Elektrode 2, 3 und 4 sowie die KurzSchlußstäbe 3 mit einer Breite von 30 ,u quer zum Stromweg des magnetosensitiven Bereichs 5 mit einem gegenseitigen Abstand von 100 ,u gebildet.

Auf diese Weise wurden 30 Elemente auf einem Ein-Plättchen-Substrat gebildet. Das Substrat wurde dann mit einem Werkzeug in 30 Chips zerschnitten, so daß separate Elemente

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entstanden, mit einer Chipgröße von 3 mm im Quadrat. An die einzelnen Elektroden 1, 2 und 4 der Chips wurden Kupferdrähte mit einem Durchmesser von Ο,Ί mm und einer Länge von 20 mm angelötet und das gesamte Element wurde in eine Epoxydharzmasse vom Typ AER-331 der Firma Asahi Chemical Industry Co. Ltd. eingegossen. Die Widerstände zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 1 und 4 und zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 2 und 4 betrugen ohne angelegtes Magnetfeld jeweils 70 Ohm.

Als nächstes wurden die so vorbereiteten Elemente mit ihren ersten und ihren zweiten Elektroden 1 und 2 an eine Konstantspannungsquelle von I V angeschlossen,und das gesamte Element wurde einem Magnetfeld mit einer Magnetflußdichte von 3 kGauss ausgesetzt. Zwischen der ersten und der dritten Elektrode Ί und 4 entstand eine Ausgangsspannung von 260 mV. Die Ausgangsspannung änderte sich mit -0,2 %/°C in der Nähe der Normaltemperatur, was praktisch vernachlässigbar ist. Die übrigen so präparierten Chips zeigten eine ähnliche Charakteristik.

Beispiel 2

Ein 1 /U starker InSb-FiIm mit einer Elektronenmobilität

2
von 21 .000 cm /V·see wurde durch Aufdampfen auf ein Mica-Substrat gebildet, das auf 500°C gehalten, wurde. Der aufgebrachte dünne Film wurde dann in 0,5 ,u Stärke auf ein

0,5 mm starkes Keramiksubstrat von 6,4 cm Größe übertragen und auf diesem mit einem Bindemittel auf Epoxyharzbasis befestigt.

Danach wurde der dünne InSb-FiIm in einem ähnlichen Prozeß wie bei dem ersten Beispiel einem Fotoätzverfahren .· unterzogen, so daß er das in Fig. 9A dargestellte Muster

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erhielt. Schließlich wurden Elektroden und Kurzschlußstäbe gemäß Fig. 9B durch elektrofreies Plattieren an dem Muster gebildet. Die Größe und Konfiguration des Elementes waren dieselben wie bei dem ersten Beispiel. Auf diese Weise wurden 30 Elemente mit dem in Fig. 9B dargestellten Muster auf einem Substrat hergestellt.

Als nächstes wurde das Substrat mit einem Werkzeug in 30 separate Elemente zerschnitten. An die Elektroden des einzelnen Elementes wurden 0,1 mm starke und 20 mm lange Anschlußdräte angelötet und das Element wurde insgesamt in die oben erwähnte Masse AER-331 eingegossen. Auf diese Weise wurden 30 Elemente hergestellt, von denen jedes einen-mittleren Widerstand von 3,.1 kil zwischen der ersten und der dritten Elektrode 1 und 4 und einem mittleren Widerstand von 3,1 k zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 2 und 4 hatte.Einem der auf diese Weise präparierten Elemente wurde eine feste Spannung von 1 V an der ersten und der zweiten Elektrode zugeführt und das Element wurde insgesamt einer Magnetflußdichte von 3 kGauss ausgesetzt. An der dritten Elektrode wurde eine Ausgangsspannung von 120 mV gemessen. Die Ausgangsspannung änderte sich mit einem Koeffizienten von -0,1.8 %/°C. Dieser Koeffizient ist so niedrig, daß für praktische Anwendungen die Notwendigkeit einer Temperaturkompensation entfällt.

Beispiel 3

Auf einem auf 500°C gehaltenen Mika-Substrat wurde ein 1 ,u dicker InSb-FiIm mit einer Elektronenmobxlxtät von

2
21.000 cm /V·see durch Aufdampfen gebildet.

Der aufgebrachte dünne Film wurde dann auf ein 0,5 ,u starkes Ni-Zn-System-Ferrit-Substrat übertragen und mit diesem

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durch ein Bindemittel auf Epoxyharzbasis verbunden. Die Verwendung des magnetischen Substrats ist deshalb vorteilhaft, weil das im Magnetfeld,dem das Element ausgesetzt wird, vergrößert werden kann.

Danach wurde der dünne InSb-FiIm geätzt, so daß er das in Fig. 9a mit 7 bezeichnete Muster erhielt und die Elektroden \, 2 und 4 sowie die Kurzschlußstäbe 3 wurden auf dem Muster durch Plattieren mit Kupfer oder Silber in ähnlicher Weise wie bei dem Beispiel 1 gebildet. Auf diese Weise wurden 30 Elemente auf dem Substrat gebildet, von denen jedes die in Fig. 9B gezeigte Konfiguration hatte. Als nächstes wurde das Substrat mit einem Werkzeug in einzelne Chips zerteilt. An die Elektroden des separaten Elementes wurden Kupferdrähte mit 0,1 mm 0 angelötet, und das Element wurde anschließend mit dem Epoxyharz AER-331 umgössen«. Eines dieser Elemente wurde an eine Konstant-Spannungsquelle von 1 V mit einer ersten und zweiten Elektrode T und 2 angeschlossen und einer Magnetflußdichte von 3 kGauss ausgesetzt. Es wurde eine Ausgangsspannung von 220 mV zwischen der ersten und der dritten Elektrode .1 und 4 gemessen. Die Ausgangsspannung änderte sich mit einem Koeffizienten von -0,T3%/°C.

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Claims

VONKREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

ASAHI KASEI KOGYO

KABUSHIKI KAISHA

2-6, Dojima-hama 1-chome

Kita-ku, Osaka, Japan

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973

Dr.-Ing. K, Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selting, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

Sg/in

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

24. November 1978

Ansprüche

(ΪΛ Magnetoresistives Halbleiterelement mit einer auf einem isolierenden Substrat angeordneten länglichen dünnen Schicht aus Halbleitermaterial mit hoher Mobilität, das einen magnetosensitiven Abschnitt bildet, mit zwei an entgegengesetzten Enden des magnetosensitiven Abschnitts angeordneten und mit der Halbleiterschicht in ohmschem Kontakt verbundenen Elektroden und mit Kurzschlußstäben aus elektrisch leitendem Material, die zwischen den beiden Elektroden in gegenseitigem Abstand zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2) eine dritte Elektrode (4) angeordnet ist, die mit dem magnetosensitiven Abschnitt (7) verbunden ist, und daß der Bereich (6) zwischen einer der beiden ersten Elektroden (1, 2) und der dritten Elektrode (4) keine Kurzschlußstäbe (3) oder eine andere Konfiguration von Kurzschlußstäben enthält als der Bereich (5) zwischen der anderen ersten Elektrode (I)₁ und der dritten Elektrode (4).
2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (4) mehrere Kurzschlußstäbe (3)

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ORIGINAL INSPECTED

angeordnet sind, die geometrisch und elektri-sch voneinander getrennt sind,und daß die Kurzschlußstäbe zwischen der erstenui der dritten Elektrode (1 und 4) und der zweiten und der dritten Elektrode (2 und 4) unterschiedliche Muster haben, so daß die magnetische Empfindlichkeit des Elementes in dem Bereich

(5) zwischen der ersten und der dritten Elektrode unterschiedlich ist von der magnetischen Empfindlichkeit in dem Bereich

(6) zwischen der zweiten und der dritten Elektrode.
3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die KurzSchlußstäbe (3) derartig angeordnet sind, daß sie quer zu einem Stromweg in dem magnetosensitiven Abschnitt (7) ausgerichtet sind.
4. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (4) derart angeordnet ist, daß der Widerstand zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (4) in Ab-₍ Wesenheit eines Magnetfeldes gleich dem Widerstand zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (4) ist.
5. Halbleiterelement nach eine™ der AnsOrf5ch^Q Ib^-5 s 4, d a dadurch gekennzeichnet, daß das isolierend Substrat (8) ein isolierendes ferromagnetisches Material enthält.
6. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Baugruppe des magnetoresistiven Elementes auf dem Substrat (8) abdichtend mit Hartglas oder Keramik vergossen ist.
7. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (4) zur Bildung eines AnschlußStückes gegenüber

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der Mittelpös!tion zwischen der ersten und der zweiten Elektrode an einem seitlich abstehenden Ansatz angeordnet ist.
8. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichn et, daß die dritte Elektrode (4) auf der Halbleiterschicht des magnetosensitiven Abschnitts (7) entlang dem Stromweg zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) angeordnet ist.
9. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die längliche Halbleiterschicht (7) zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (4) eine kleinere Breite hat als zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (4) .
10. Halbleiterelement-nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Elektrode (1) und die zweite Elektrode (2) eine Spannung gelegt ist, und daß an der dritten Elektrode (4) unter dem Einfluß eines Magnetfeldes eine Differenzspannung .abgenommen wird.
11. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Bereiche (12, 13, 14) zwischen den Elektroden (4a, 4b) Kurzschlußstäbe (3a, 3b) enthalten, und daß die Muster der KurzSchlußstäbe (3a, 3b) in den Bereichen (13, 14) zur Erzeugung unterschiedlicher Magnetoresistenzen voneinander verschieden sind.

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12. Halblexterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat.(8) ein dielektrisches Substrat ist.

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