JP3681425B2

JP3681425B2 - ＧａＡｓホール素子

Info

Publication number: JP3681425B2
Application number: JP00863595A
Authority: JP
Inventors: 和宏永瀬; 朗一井
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: JPH08204251A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、広い温度範囲においてホール出力電圧の変動が小さく、しかも実用上十分な感度を有し、高精度の測定に適するホール素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホール素子は、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等の半導体のホール効果を利用して磁場をホール出力電圧に変換することにより、磁場強度を検出する磁気センサーであり、モーター、非接触スイッチなどに幅広く利用されている。ホール素子の用途のうち、磁場強度測定用ガウスメーターや電流センサ等においては、磁場強度に対するホール出力電圧の直線性に加えて、周囲温度の変動に対するホール出力電圧の安定性が要求される。しかしながら、従来のホール素子のホール出力電圧の温度変化率は、ホール素子の駆動方法にもよるが、ＩｎＳｂホール素子で２％／℃程度、特性の温度依存性の小さいＧａＡｓホール素子でも０．０６％／℃程度であったため、上記のような用途においては、ホール出力電圧の温度変化を補正するためのＩＣが不可欠となっていた。
【０００３】
ところで、ＩＣでホール出力電圧の温度変化を補正する方法には以下の問題点があった。まず、ホール出力電圧は一般に温度に対して直線的には変化しないため、温度補正の方法が、ひいては温度補正用ＩＣの構成が非常に複雑なものになり、ＩＣの製造コストが非常に高価なものになっていた。また、ホール素子の温度特性のばらつきが大きいと、温度補正用ＩＣをもってしても十分な精度で温度補正を行うことができなくなるため、ホール素子の選別が必要となっており、これもコストを押し上げる大きな要因となっていた。さらに、温度補正用ＩＣチップが比較的大きいため、実装上の問題もあった。
【０００４】
しかも、近年、従来よりも広い温度範囲でホール出力電圧の温度変化補正を必要とするホール素子の用途が現れてきた。例えば、自動車関連の用途では、−５０℃から１５０℃程度の温度範囲での温度補正が要求されている。このように非常に広い温度範囲の場合、ＩＣでホール出力電圧の温度変化を補正する方法は、上記の問題点がより顕著となる。
【０００５】
このように、周囲温度の変動に対するホール出力電圧の安定性が要求される用途においては、ＩＣでホール出力電圧の温度変化を補正する方法が専ら用いられてきたが、コスト的に非常に高価なものになるという問題点や実装上の問題点があり、しかも、これらの問題点は今後ますます顕著になる状況にある。
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、周囲温度の変動に対するホール出力電圧の安定性が十分に高く、かつ実用上十分に高い感度を有し、高精度の測定に適するホール素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来のホール素子の中で、ホール出力電圧の温度変化率が最も小さいＧａＡｓホール素子に着目し、その温度変化率をさらに小さくするための研究の結果、ホール出力電圧の温度変化率が補正用ＩＣを必要としない程度に十分低く、しかも、ホール出力電圧が実用上十分に高いＧａＡｓホール素子の実現に成功し、本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
１．シートキャリア濃度が８×１０¹²／ｃｍ²以上のＧａＡｓからなる導電層を有し、入力抵抗値が該導電層のシート抵抗値の１．６倍以上であることを特徴とするＧａＡｓホ−ル素子。
２．４００ｋｅＶ以下の加速電圧のイオン注入により、導電層を形成したことを特徴とする上記１のＧａＡｓホール素子。
【０００９】
本発明者らの研究の結果、ＧａＡｓホール素子において、感磁層となるＧａＡｓ導電層のシートキャリア濃度を増加させると、ホール出力電圧の温度変化率を小さくすることができるが、一方、シートキャリア濃度の増加にともなって、ホール素子の積感度が低下し、高精度の測定に適さないという問題が同時に発生することが明らかになった。そこで、ＧａＡｓ導電層のシートキャリア濃度、ホール素子のパターン形状を総合的に検討し、ＧａＡｓホ−ル素子のおいて、シートキャリア濃度が８×１０¹²／ｃｍ²以上のＧａＡｓからなる導電層を有し、かつ入力抵抗値を該導電層のシート抵抗値の１．６倍以上にすることにより、目的とするホール素子が得られたものである。
【００１０】
以下、詳細に本発明を説明する。
本発明によるホール素子の平面図を図１に、図１中のＡ−Ａ’線での断面構造図を図２に示した。図１において、１は基板、２は感磁層であるＧａＡｓ導電層、３ａと３ａ’はＧａＡｓ導電層に電気的に接続した入力側オーミック電極、３ｂと３ｂ’はＧａＡｓ導電層に電気的に接続した出力側オーミック電極、４はＧａＡｓ導電層２やオーミック電極３を湿気等から保護するための保護膜である。基板１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、ＧａＡｓ薄膜を成長させたＳｉ基板等であるが、本発明で特に限定されるものではない。
【００１１】
ＧａＡｓ導電層２は、ドナー不純物を含有するＧａＡｓ薄膜からなる。形成方法としては、半絶縁性ＧａＡｓ基板にドナー不純物をイオン注入する方法、半絶縁性ＧａＡｓ基板上やＳｉ基板上に成長させたＧａＡｓ薄膜にドナー不純物をイオン注入する方法、半絶縁性のＧａＡｓ基板上やＳｉ基板上にドナー不純物を含有するＧａＡｓ薄膜を成長させる方法等があるが、中でも特にイオン注入法が好ましい。ドナー不純物としては、ＧａＡｓ中でドナーとなるものであれば何でも良いが、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ等が好ましい。イオン注入によりＧａＡｓ導電層２を形成する場合、加速電圧により導電層の厚さが決定されるが、高電圧のイオン注入は装置が高価になる上にキャリア濃度が低くなるため、４００ｋｅＶ以下が好ましく、２５０ｋｅＶ以下がより好ましい。また、１００ｋｅＶ未満になると表面空乏層の影響で導電層が形成されにくくなることから１００ｋｅＶ以上が好ましい。イオン注入したドナー不純物を活性化するアニール処理についても、その方法や条件については特に限定されない。
【００１２】
本発明において、ＧａＡｓ導電層２中のシートキャリア濃度は８×１０¹²／ｃｍ²以上が好ましく、１×１０¹³／ｃｍ²以上がより好ましい。シートキャリア濃度がこの値未満であると、本発明の目的である周囲温度の変動に対するホール出力電圧の安定性が十分に高いホール素子が実現できない。また、シートキャリア濃度は、８×１０¹³／ｃｍ²以上になると不純物が活性化しにくく、これ以上の濃度は現実的ではない。
【００１３】
本発明において、入力側オーミック電極３ａと３ａ’間の入力抵抗値は、ＧａＡｓ導電層２のシート抵抗値の１．６倍以上であることが必要であり、好ましくは１．８〜３．５倍の範囲である。１．６倍よりも低い場合、ホール素子の積感度が低く、実用上十分な感度が得られず、高精度の測定に適さない。入力抵抗値の制御は、感磁部であるＧａＡｓ導電層の平面形状をかえることにより行う。
【００１４】
オーミック電極３は、ＧａＡｓ導電層２とオーミック接触するものであれば何でも良いが、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造を含むもの等は特に好ましい。形成方法については特に限定されない。
保護膜４は、湿気や酸化によるＧａＡｓ導電層２の汚染あるいは劣化防止の目的で形成されるものであり、ＳｉＯ₂やＳｉＮ等の無機絶縁膜、もしくはポリイミド等の有機薄膜からなり、厚さは、０．１〜５μｍ程度が好ましい。
【００１５】
【実施例】
次に実施例により本発明を説明する。
【００１６】
【実施例１】
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板に感光性レジストのパターンを形成した。素子の入力抵抗は、導電層のシート抵抗の１．８倍となるように感磁部の平面形状を設計した。その後、加速電圧２５０ｋｅＶ、注入のドーズ量１．２×１０¹³／ｃｍ²でイオン注入を行い、導電層となる部分を形成した後、注入したイオンの活性化のため、８５０℃で１５分間アニールを行った。このときのシートキャリア濃度は９．２×１０¹²／ｃｍ²、シート抵抗は４１８Ωであった。ドーズ量とシートキャリア濃度の差異は、イオン注入された不純物の活性化率が１００％でないことによる。次に電極形成のためのレジストパターンを形成した後、ウエハ全面に電極金属として基板側から順にＡｕＧｅ２００ｎｍ、Ｎｉ５０ｎｍ、Ａｕ３００ｎｍを順次蒸着した。その後、リフトオフを行い、合金化により導電層部分とオーミック接合をとった。さらにプラズマＣＶＤ法により３００ｎｍのＳｉＯ₂をウエハ全面に形成し保護膜とした。このウエハーをダイシングし、ダイボンド、ワイヤボンドを行い、エポキシ樹脂にモールドされた素子を完成した。こうして試作した素子の入力抵抗は７５２Ωで、設計通りシート抵抗の１．８倍であった。積感度１２ｍＶ／ｍＡｋＧと実用上十分に高く、不平衡電圧の偏差は０．２ｍＶ／ｍＡであった。ホール出力の温度係数は０．０１％であった。−５０℃〜１５０℃の使用温度範囲において、ホール出力の変動幅が２％以下と小さく、測定系の誤差が２〜３％はあることも考慮すると本発明のホール素子においては、温度補正用のＩＣを用いなくても十分に従来の測定確度を得ることができる。従って、本発明によるホール素子を使うことにより、低コストで、高精度の測定が可能となる。また、不平衡電圧の偏差の３倍を不平衡電圧のバラツキと考えると、積感度に対する不平衡電圧の比率は５％と低く、高精度測定に適することがわかる。
【００１７】
【比較例１】
シートキャリア濃度と温度依存性の関係を明らかにするために、実施例１と同じマスク、プロセスを使って、シートキャリア濃度のみ異なるものを作成した。素子構造は、図１に示したものと同様であり、感磁部の形状も同じで、イオン注入の条件は、加速電圧２５０ｋｅＶ、ドーズ量４×１０¹²／ｃｍ²である。
このときのシートキャリア濃度は３．２×１０¹²／ｃｍ²、シート抵抗は約７００Ωである。また、素子の入力抵抗は１２６０Ω、積感度２０ｍＶ／ｍＡｋＧ、不平衡電圧の偏差は０．２ｍＶ／ｍＡであった。
【００１８】
本発明による実施例１と比較例１に示したホール素子の温度特性を図３に示した。図中において、横軸は周囲温度、縦軸は定電流駆動時のホール出力である。比較しやすいように、縦軸は室温でのホール出力を１００％としたときの変化分で表した。図からも明らかなように比較例１では温度係数０．０６％であり、−５０℃から１５０℃の温度範囲において室温での値に対し、変動幅にし１２％程度の変動があることがわかる。従って、温度による出力補正用のＩＣが別途必要となり、コスト的に高価になるばかりでなく、温度補正用ＩＣのスペースが必要になり、素子の実装上問題が生じる。
【００１９】
【比較例２】
次に、素子の感磁部形状による素子特性の違いを明らかにするために実施例１と同じプロセスで、感磁部形状のみ異なるホール素子を試作した。比較例２において入力抵抗はシート抵抗の１．４倍である。素子の入力抵抗は５９０Ωで、積感度８．５ｍＶ／ｍＡｋＧ、不平衡電圧の偏差０．９ｍＶ／ｍＡであった。
【００２０】
比較例２のホール素子は、本発明による実施例１と同じシートキャリア濃度を有し、特性の温度依存性は本発明による試作例と同じであるが、積感度が低くなっている。しかも、比較例２では不平衡電圧の偏差が大きくなっているため、積感度に対する不平衡電圧の比率が高い。このため、偏差の３倍を不平衡電圧のばらつきとしたとき、比較例２では積感度に対して３０％を越える不平衡電圧となり、本発明による実施例１と比較し、１桁不平衡率が高くなり、高精度の測定には適さない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のホール素子では、高精度の測定には適する程に十分に高感度で、且つホール出力電圧の温度変化率が非常に小さいため、ホール出力電圧の温度補正用ＩＣを必要としない、あるいは、温度補正用ＩＣを使用する場合であっても、非常に簡単な構成ですむ。したがって、周囲温度の変動によらない安定な磁場強度測定を、非常に安価に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、保護膜を省略したホール素子の上面図である（導電層および電極の形状を分かりやすくするために省略している。）。
【図２】本発明によるホール素子の断面構造図である。
【図３】実施例１によるホール素子と比較例１のホール出力電圧の温度変化を示したグラフ図である。
【符号の説明】
１基板
２ＧａＡｓ導電層
３ａ入力側オーミック電極
３ａ^,入力側オーミック電極
３ｂ出力側オーミック電極
３ｂ^,出力側オーミック電極
４保護膜
５実施例１
６比較例１

Claims

シートキャリア濃度が８×１０^１２／ｃｍ^２以上８×１０ ^１３／ｃｍ ^２未満のＧａＡｓからなる導電層を有し、入力抵抗値が該導電層のシート抵抗の１．６〜３．５倍であることを特徴とするＧａＡｓホール素子。
１００ｋｅＶ以上４００ｋｅＶ以下の加速電圧のイオン注入により、導電層を形成したことを特徴とする請求項１記載のＧａＡｓホール素子。