JP2546921B2 - Magnetoresistive element - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は温度特性に優れたInAsの薄膜を有する磁気
抵抗素子に関する。The present invention relates to a magnetoresistive element having an InAs thin film having excellent temperature characteristics.
従来の半導体を用いた磁気抵抗素子はInSbの単結晶ま
たは薄膜を用い、それに金属のショートバー電極を形成
し、磁気抵抗素子としていた。A conventional magnetoresistive element using a semiconductor is an InSb single crystal or thin film, and a metal short bar electrode is formed on the InSb single crystal or a thin film to form a magnetoresistive element.
このような従来技術では、InSbの本質的な性質である
抵抗値の負の温度依存性のために、温度の上昇とともに
素子抵抗値が急激に下降する。この結果、高い電圧を加
えたり、高温で使用すると素子の温度上昇に伴い電流が
増大する。このため、磁気抵抗素子の温度が上がり過電
流が流れて素子が破壊されるという本質的な欠点があっ
た。したがって、従来の素子は高温での使用には限界が
あり、実用的には60℃程度が上限であった。In such a conventional technique, due to the negative temperature dependence of the resistance value, which is an essential property of InSb, the element resistance value sharply decreases as the temperature rises. As a result, when a high voltage is applied or the device is used at high temperature, the current increases as the temperature of the device rises. Therefore, there is an essential defect that the temperature of the magnetoresistive element rises and an overcurrent flows to destroy the element. Therefore, the conventional device has a limit in use at high temperature, and the upper limit is practically about 60 ° C.
本発明者はこのような半導体の磁気抵抗素子の問題を
解決すべく新たな高電子移動度材料を検討した。この結
果、GaAsの単結晶基板上に成長させた厚さ1.0μｍ以下
のInAs薄膜の一部に、ドナー原子として例えばSiをドー
プすることにより高電子移動度部と低電子移動度部の二
層の電子移動度部をもつInAs薄膜が製作されることを見
いだし、さらに、該薄膜の高電子移動度部のみを動作層
とすることにより、InAs薄膜の抵抗値の温度変化をなく
すことができることを見いだした。The present inventor has investigated a new high electron mobility material in order to solve the problem of such a semiconductor magnetoresistive element. As a result, a part of the InAs thin film having a thickness of 1.0 μm or less grown on the GaAs single crystal substrate is doped with, for example, Si as a donor atom to form a double layer of a high electron mobility part and a low electron mobility part. It was found that an InAs thin film having an electron mobility part of 3 is manufactured, and further, by using only the high electron mobility part of the thin film as an operating layer, it is possible to eliminate the temperature change of the resistance value of the InAs thin film. I found it.
第２図にこのような二層の電子移動度部をもつInAs薄
膜の厚さ方向の電子移動度の分布を示した。この発明で
いう高電子移動度部は、基板との界面から0.1μｍ以上
離れた高電子移動度部を示している。FIG. 2 shows the distribution of electron mobility in the thickness direction of an InAs thin film having such a two-layer electron mobility portion. The high electron mobility part referred to in the present invention indicates a high electron mobility part separated by 0.1 μm or more from the interface with the substrate.
また、この薄膜の高電子移動部へショートバー電極を
形成することにより大きな形状磁気抵抗効果を引き出す
ことを実現し、温度特性に優れ、高感度の磁気抵抗素子
であるこの発明に至った。すなわち、単結晶層上に形成
された高電子移動部と低電子移動度部の二層からなるIn
As薄膜と、該薄膜の高電子移動度部に電気的に接触して
形成された高導電材料からなる複数のショートバー状の
電極とからなる感磁部と、外部接続のための複数の電極
を有することを特徴とする磁気抵抗素子である。Further, by forming a short bar electrode in the high electron transfer portion of this thin film, a large shape magnetoresistive effect was realized, and the present invention was a magnetoresistive element having excellent temperature characteristics and high sensitivity. That is, an In layer composed of two layers, a high electron mobility part and a low electron mobility part, formed on a single crystal layer.
As thin film, a magnetic sensitive part composed of a plurality of short bar-shaped electrodes made of a highly conductive material formed in electrical contact with the high electron mobility part of the thin film, and a plurality of electrodes for external connection Is a magnetoresistive element.
第１図はこの発明の磁気抵抗素子の基本型の一例を示
したものであり、第１図（ａ）は平面図、第１図（ｂ）
はその断面図である。第１図において二層の電子移動度
部をもつInAs薄膜であり、１（11）は該薄膜の高電子移
動度部、１（12）は低電子移動度部である。2a,2bは外
部接続用の電極を示し、３は高導電材料からなるショー
トバー状の電極であり、４は単結晶基板である。５は磁
気抵抗素子の感磁部を示している。FIG. 1 shows an example of the basic type of the magnetoresistive element of the present invention. FIG. 1 (a) is a plan view and FIG. 1 (b).
Is a sectional view thereof. In FIG. 1, an InAs thin film having a two-layer electron mobility part, 1 (11) is a high electron mobility part of the thin film, and 1 (12) is a low electron mobility part. Reference numerals 2a and 2b denote external connection electrodes, 3 is a short bar-shaped electrode made of a highly conductive material, and 4 is a single crystal substrate. Reference numeral 5 denotes a magnetically sensitive portion of the magnetoresistive element.
この発明の磁気抵抗素子の感磁部を構成する二層の電
子移動度部を有するInAs薄膜は、１（11）の高電子移動
度部にドナー原子がドープされており、低電子移動度部
１（12）に比較して高導電率を有する。このような感磁
部を構成するInAs薄膜は、特に限定されないが、通常は
厚さが全体で1.0μｍ以下であることが好ましい。さら
に、通常１（11）部は１（12）部と同じか、またはそれ
より厚く作られる。その厚さは、通常１（12）部は0.1
μｍまたはそれ以下であり、１（11）部は1.0μｍ以
下、好ましくは0.5μｍ以下である。特別の場合には0.1
μｍ以下で作ることもある。特に好ましい範囲は、１
（11）部は0.05〜0.4μｍである。The InAs thin film having the two-layer electron mobility part constituting the magnetic sensing part of the magnetoresistive element of the present invention has a high electron mobility part of 1 (11) doped with a donor atom and has a low electron mobility part. It has a high conductivity as compared with 1 (12). The InAs thin film forming such a magnetically sensitive portion is not particularly limited, but it is usually preferable that the total thickness is 1.0 μm or less. Moreover, the 1 (11) part is usually made to be the same as or thicker than the 1 (12) part. The thickness is usually 0.1 for 1 (12) part.
μm or less, and 1 (11) part is 1.0 μm or less, preferably 0.5 μm or less. 0.1 in special cases
It may be made in μm or less. A particularly preferred range is 1
The part (11) is 0.05 to 0.4 μm.
この発明素子の高電子移動部にはドナー原子がドープ
されている。一般にInAsに用いられるドナー原子ならな
んでもよいが、好ましいものとして、Si,S,Ge等があ
る。The high electron transfer part of the device of the present invention is doped with donor atoms. Any donor atom generally used for InAs may be used, but Si, S, Ge and the like are preferable.
第２図は、二層の電子移動度部をもつInAs薄膜の厚さ
方向の電子移動度の分布、すなわち高電子移動度部と低
電子移動度部の電子移動度の分布を示した。FIG. 2 shows the electron mobility distribution in the thickness direction of an InAs thin film having a two-layer electron mobility portion, that is, the electron mobility distribution in the high electron mobility portion and the electron mobility portion in the low electron mobility portion.
この発明に用いられる基板４は通常の素子に用いられ
ている単結晶基板で良く、好ましいのはGaAsやInPなど
であり、サファイア、シリコンなども使われる。その表
面はミラー状に研磨されており平滑な結晶面がでている
ことが望ましい。高導電材料からなる電極２とショート
バー状の電極３には、通常はInAsとオーミック接触する
金属を用いる。好ましいものとしては、In,Cu,Au,Ag,ま
たはAu-Geのような合金が好ましい。さらに、これらの
金属上に適当な金属を積層し、二層、三層にした多層の
金属を電極として用いることも好ましく行われる。The substrate 4 used in the present invention may be a single crystal substrate used for a normal device, preferably GaAs or InP, and sapphire or silicon. The surface is preferably mirror-polished and has a smooth crystal surface. A metal that makes ohmic contact with InAs is usually used for the electrode 2 made of a highly conductive material and the electrode 3 having a short bar shape. Preferred are alloys such as In, Cu, Au, Ag, or Au-Ge. Further, it is also preferable to stack an appropriate metal on these metals and use a multilayer metal having two or three layers as an electrode.
例えば、Cu-Ni-Au,Cu-Ti-Auの三層構造は信頼性も良
く、好ましい例である。ボンデング上好ましいので、一
般に電極２は多層で作られる場合が多いが、ショートバ
ー状の電極３は単層の場合も多い。電極２および３は同
一構成である必要はない。組合せや双方とも多層のもの
も好ましい例である。For example, a three-layer structure of Cu-Ni-Au and Cu-Ti-Au has good reliability and is a preferable example. Since it is preferable in terms of bonding, the electrode 2 is generally formed in multiple layers, but the short bar-shaped electrode 3 is often formed in a single layer. The electrodes 2 and 3 need not have the same configuration. A combination or a combination of both layers is also a preferable example.
第３図はこの発明の他の例を示す平面図である。この
例のように一つの基板上に第１図に示された基本となる
構成をいくつか形成し、素子として用いることも好まし
く行われる。ここで、6a,6b,6cは磁気抵抗素子の端子電
極から外部電極への引き回し部であり、通常ショートバ
ー状電極と同様の方法、同様の高導電材料でつくられ
る。また、第３図において、一体として形成されている
二つの素子のうち、ショートバー状電極の数や、間隔な
どを左右で変えることで磁気に対する抵抗の変化率を異
なるようにする事ができ、一様磁界に対し差動出力を得
ることも可能である。FIG. 3 is a plan view showing another example of the present invention. As in this example, it is also preferable to form some basic structures shown in FIG. 1 on one substrate and use them as an element. Here, 6a, 6b, and 6c are lead portions from the terminal electrode of the magnetoresistive element to the external electrode, and are usually made by the same method as that of the short bar electrode and the same high conductive material. Further, in FIG. 3, the rate of change of resistance with respect to magnetism can be made different by changing the number of short-bar electrodes, the interval, etc. of the two elements formed integrally as left and right. It is also possible to obtain a differential output for a uniform magnetic field.
第４図はこの発明の磁気抵抗素子と他の素子とが同一
板上に形成さている例を示す平面図で、一方の素子がシ
ョートバー状電極を形成せず、単に抵抗素子として利用
されている例である。FIG. 4 is a plan view showing an example in which the magnetoresistive element of the present invention and another element are formed on the same plate. One element does not form a short bar electrode but is simply used as a resistive element. It is an example.
第５図はこの発明の別の実施態様を示すもので、第５
図（ａ）は平面図、第５図（ｂ）はその側断面図であ
る。第５図において、磁気抵抗素子は通常の半導体素子
と同じくワイヤー９によりリード線101,102,103に接続
される。ここで、７はリード上に素子をのせるアイラン
ドである。これらは樹脂によりパッケージされて用いる
ことも行われる。また、この発明の素子と磁場印加手段
である磁石やコイルとを組み合わせて用いることもでき
る。さらに、この発明の素子は他の素子と組み合わせて
一つの基板上に集積化されること、ハイブリット的に集
積されること、また、同一のパッケージ内に収納され一
体化された機能素子として用いることもできる。この発
明の素子の駆動回路部はしばしばこのように集積化され
て用いられる。FIG. 5 shows another embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a plan view and FIG. 5B is a side sectional view thereof. In FIG. 5, the magnetoresistive element is connected to the lead wires 101, 102 and 103 by the wire 9 like the ordinary semiconductor element. Here, 7 is an island for mounting an element on the lead. These are also used by being packaged with resin. Further, the element of the present invention and a magnet or a coil which is a magnetic field applying means can be used in combination. In addition, the device of the present invention can be integrated with other devices on one substrate, can be hybridly integrated, and can be used as an integrated functional device housed in the same package. You can also The driving circuit portion of the device of the present invention is often used by being integrated in this way.
この発明の素子は、ホール素子や抵抗素子、コンデン
サなどと一緒にモノリシック的に集積化されることも好
ましく行なわれる。このような例を第６図に示した。The element of the present invention is preferably monolithically integrated with a hall element, a resistance element, a capacitor and the like. Such an example is shown in FIG.
第６図（ａ）はこの発明の素子が抵抗素子２と同一基
板上にモノリシック的に集積した例を示す平面図であ
り、（ｂ）はこの発明の素子の駆動部と電極部22等が同
一基板23上に集積化したモノリシックまたはハイブリッ
ド素子の例を示す平面図である。これらは、通常の方法
でパッケージされて使われることが多い。FIG. 6 (a) is a plan view showing an example in which the element of the present invention is monolithically integrated with the resistive element 2 on the same substrate, and FIG. 6 (b) shows the drive section and the electrode section 22 of the element of the present invention. FIG. 6 is a plan view showing an example of a monolithic or hybrid device integrated on the same substrate 23. These are often packaged and used in the usual way.
第７図はこの発明の別の実施態様を示す断面図であ
り、感磁部の裏面側に基板に接してフェライトのような
軟磁性からなる磁性体24を配設し、磁気増幅効果により
感度向上を行った例である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing another embodiment of the present invention, in which a magnetic material 24 made of soft magnetism such as ferrite is arranged on the back side of the magnetic sensing part so as to be in contact with the substrate, and the sensitivity is enhanced by magnetic amplification effect. This is an example of improvement.
第８図は、第３図、第４図、第７図に示したこの発明
の素子に、永久磁石による磁界を印加する手段を例示し
た断面図である。FIG. 8 is a sectional view exemplifying means for applying a magnetic field by a permanent magnet to the element of the present invention shown in FIGS. 3, 4, and 7.
厚さ0.3mmのGaAs基板上に、分子線エピタキシャル法
により二層の電子移動度部をもつInAs薄膜を成長させ
た。その手順は、まず基板からの厚さが0.1μｍまでは
ノンドープのInAs膜を形成し、歪のないInAsの表面格子
をもつ低電子移動度部であるInAs薄膜を形成した。An InAs thin film with a two-layer electron mobility portion was grown on a 0.3 mm thick GaAs substrate by molecular beam epitaxy. In the procedure, first, a non-doped InAs film was formed up to a thickness of 0.1 μm from the substrate, and an InAs thin film which is a low electron mobility portion having a strain-free InAs surface lattice was formed.
次に、Siをドーピングしながら0.3μｍのInAsを成長
させ１×1017個／cm3のキャリア密度をもつ高電子移動
度部を形成した。こうして厚さ0.4μｍの二層の電子移
動度部を有するInAs薄膜をGaAs基板上に形成した。Next, 0.3 μm of InAs was grown while doping Si to form a high electron mobility portion having a carrier density of 1 × 10 17 pieces / cm 3 . Thus, an InAs thin film having a two-layer electron mobility portion having a thickness of 0.4 μm was formed on the GaAs substrate.
つぎに、InAs薄膜上にフォトレジストのマスクをフォ
トリソグラフィーにより形成し、ついで無電解メッキに
より電極およびショートバー電極の必要な部位にのみCu
層を形成し、次に電解メッキでCuを層付けし、厚さ1.0
μｍとした。次に、フォトレジストのマスクを変えて外
部接続電極部にNi,0.5μｍ、Auを1.0μｍ電解メッキし
た。Next, a photoresist mask is formed on the InAs thin film by photolithography, and then electroless plating is used to form Cu on the electrode and short bar electrode only at the necessary portions.
Layer, then electroplated Cu layered, thickness 1.0
μm. Next, the photoresist mask was changed and the external connection electrode portion was electrolytically plated with Ni, 0.5 μm and Au by 1.0 μm.
つぎに、エッチング用のマスクをリソグラフィーによ
り形成し、イオンミリングによりGaAs基板上の不要なIn
As薄膜をエッチングし、電極間の電流通路の幅30μｍ
で、かつ、幅５μｍ、長さ30μｍのショートバーを電流
通路に直通に形成した構造の第３図に示すような三端子
の磁気抵抗素子を多数一枚の基板上に形成した。Next, an etching mask is formed by lithography, and unnecessary In
As thin film is etched, width of current path between electrodes is 30μm
A multi-terminal magnetoresistive element as shown in FIG. 3 having a structure in which a short bar having a width of 5 μm and a length of 30 μm was formed directly in the current path was formed on a single substrate.
ついでダイシングソーにより、個々の磁気抵抗素子チ
ップに切離した。ついで、この中の一部の素子をリード
上にダンボンドし、リード線と素子電極間を28μｍ、直
径20μｍのAu線によりワイヤーボンドを行った。Then, it was cut into individual magnetoresistive element chips with a dicing saw. Then, a part of the device was dan-bonded on the lead, and wire bonding was performed with an Au wire having a diameter of 20 μm and 28 μm between the lead wire and the device electrode.
次にトランスファーモールドにより、モールドして第
５図のような三端子のモールド磁気抵抗素子を製作し
た。この試作素子の入力抵抗値は平均値が850Ωであっ
た。Next, transfer molding was performed to mold a three-terminal molded magnetoresistive element as shown in FIG. The average input resistance value of this prototype device was 850Ω.
次に、試作した本発明素子の特性の一例を示す。第９
図には、この発明の素子を駆動させた場合の磁石の移動
距離に対する差動出力の一例を示した。電極2a,2cに入
力電圧1Vを加えたときの電極2bの作動出力で、長方向に
着磁した希土類磁石を作動出力が得られるよう素子表面
より0.5mm離して平行にスキャンした場合である。試作
磁気抵抗素子の抵抗値（2a,2cの間の抵抗値）の温度変
化の例を第10図に示す。従来のInSbに比べると極めて変
化が小さい。このためこの発明では、150℃までの使用
が可能である。Next, an example of the characteristics of the prototyped device of the present invention will be shown. Ninth
The figure shows an example of the differential output with respect to the moving distance of the magnet when the element of the present invention is driven. This is the case where the operation output of the electrode 2b when an input voltage of 1 V is applied to the electrodes 2a and 2c, a rare earth magnet magnetized in the long direction is scanned in parallel by 0.5 mm from the element surface so as to obtain the operation output. Figure 10 shows an example of the temperature change of the resistance value (resistance value between 2a and 2c) of the prototype magnetoresistive element. The change is extremely small compared to conventional InSb. Therefore, in the present invention, use up to 150 ° C. is possible.
この発明の磁気抵抗素子は温度に対する安定性が良
く、従来にない100℃を超えた150℃までの使用が可能で
あり、工業用、自動車用、磁気センサーや小型モーター
などの使用に耐えるうえに、半導体の均一単結晶薄膜の
生産技術であるMBE法やMOCVD法などのフォトリソグラフ
ィーベースのウエハープロセスで製作できるので極めて
生産性が高い。このため、工業上の有用性ははかりしれ
ない。The magnetoresistive element of the present invention has good temperature stability and can be used up to 150 ° C, which is higher than the conventional temperature of 100 ° C, and is suitable for use in industrial, automobile, magnetic sensors and small motors. Since it can be manufactured by a photolithography-based wafer process such as MBE method or MOCVD method, which is a production technology of a uniform single crystal thin film of semiconductor, the productivity is extremely high. Therefore, its industrial utility is immeasurable.
第１図はこの説明の磁気抵抗素子の一例を示し、第１図
（ａ）は平面図、第１図（ｂ）はその断面図である。第
２図はInAs膜厚に対する電子移動度の変化を示すグラフ
である。第３図および第４図はそれぞれこの発明の実施
態様の例を示す平面図である。第５図はこの発明の一実
施態様で第５図（ａ）は平面図、第５図（ｂ）はその側
断面図である。第６図（ａ），（ｂ）はともにこの発明
の実施態様の例を示す平面図である。第７図はこの発明
の一実施例を示す断面図である。第８図（ａ），
（ｂ），（ｃ）はいずれもこの発明の磁気抵抗素子に磁
界を印加する手段を例示した断面図である。第９図は磁
石の移動距離に対する磁気抵抗素子の差動出力の変化を
示すグラフである。第10図は磁気抵抗素子の抵抗温度特
性を示すグラフである。 １……InAs薄膜、2a,2b,2c……電極、３……ショートバ
ー状電極、４……基板、５……感磁部、９……ワイヤ
ー、21……抵抗素子、22……電極部。FIG. 1 shows an example of the magnetoresistive element of this description, FIG. 1 (a) is a plan view, and FIG. 1 (b) is a sectional view thereof. FIG. 2 is a graph showing changes in electron mobility with respect to InAs film thickness. 3 and 4 are plan views showing examples of embodiments of the present invention. FIG. 5 is an embodiment of the present invention, and FIG. 5 (a) is a plan view and FIG. 5 (b) is a side sectional view thereof. 6 (a) and 6 (b) are plan views showing an example of an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a sectional view showing an embodiment of the present invention. FIG. 8 (a),
(B) and (c) are cross-sectional views illustrating means for applying a magnetic field to the magnetoresistive element of the present invention. FIG. 9 is a graph showing changes in the differential output of the magnetoresistive element with respect to the moving distance of the magnet. FIG. 10 is a graph showing the resistance temperature characteristic of the magnetoresistive element. 1 ... InAs thin film, 2a, 2b, 2c ... electrode, 3 ... short bar electrode, 4 ... substrate, 5 ... sensing part, 9 ... wire, 21 ... resistive element, 22 ... electrode Department.
Claims (1)
低電子移動度部の二層からなるInAs薄膜と、該薄膜の高
電子移動度部に電気的に接触して形成された高導電材料
からなる複数のショートバー状の電極とからなる感磁部
と、外部接続のための複数の電極を有することを特徴と
する磁気抵抗素子1. An InAs thin film composed of two layers, a high electron mobility portion and a low electron mobility portion, formed on a single crystal layer, and formed by being in electrical contact with the high electron mobility portion of the thin film. A magnetoresistive element having a plurality of short bar-shaped electrodes made of a highly conductive material and a plurality of electrodes for external connection.
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| JP2306207A JP2546921B2 (en) | 1990-11-14 | 1990-11-14 | Magnetoresistive element |
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- 1990-11-14 JP JP2306207A patent/JP2546921B2/en not_active Expired - Lifetime
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