JPS6354785A - ヘテロ接合磁気センサ - Google Patents

ヘテロ接合磁気センサ

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JPS6354785A
JPS6354785A JP61198508A JP19850886A JPS6354785A JP S6354785 A JPS6354785 A JP S6354785A JP 61198508 A JP61198508 A JP 61198508A JP 19850886 A JP19850886 A JP 19850886A JP S6354785 A JPS6354785 A JP S6354785A
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JP
Japan
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magnetic sensor
heterojunction
doped
electron gas
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JP61198508A
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Yoshinobu Sugiyama
杉山 佳延
Yoshikazu Takano
鷹野 致和
Takashi Taguchi
隆志 田口
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Soken Inc
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Nippon Soken Inc
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00Hall-effect devices
    • H10N52/101Semiconductor Hall-effect devices

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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、電子・機械工業分野における各種の計測・制
御に用いられている磁気センサに関する。
(従来の技術〕 従来、磁気センサ用半導体材料としては、Si。
Ge又は化合物半扉体であるInSb、InA、s、G
aAsなどの単結晶薄板、蒸着膜、エピタキシャル膜、
イオン注入層が一般に用いられている。
しかし、上記の半導体材料にはそれぞれ欠点があった。
即ち、磁気センサの高性能化のためには、高移動度の極
薄膜材料が必要であるが、高移動度が得られるインジウ
ムアンチモン(InSb)では極薄膜化が難しく、ガリ
ウムヒ素(G a A s )やシリコン(Si)では
極薄膜の高移動度化が困難なため、高性能化には技術的
に限界があった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は上記点に鑑み、高移動度を有し、かつ極薄膜が
可能な磁気センサを提供することを目的としてなされた
ものである。
〔問題点を解決するための手段〕
一般に、半導体磁気センサの高性能化には、ホール効果
の大きい材料やデバイス構造が不可欠であるから、基本
的な磁気センサであるホール素子の設計原理を考える。
畏方形ホール素子において、電流駆動、電圧駆動、電力
駆動のそれぞれに対するホール出力電圧は、次の式で表
される。
■□=に、BI       ■KH・・・(1)−(
W/り)μHBV”μ、   ・・・(2)= <wK
n μ / 7り l/28 P l/2”(KHμ 
) l/2  ・・・(3)ここで、J、w及びtは、
素子の長さ、幅、厚I、V及びPは、入力電流、入力電
圧、入力電力。
Bは、磁束密度。K□は、積感度(=Ro/l=1/n
s e i PHは、ホール係数。n、は、キャリヤ面
密度。eは、電子電荷)、μmは、ホール移動度。
最大出力は、最大入力に対して得られるから、(3)式
から感度の性能指数M S F (Magnetic−
fieldSensitive Figure of 
merit )を定義すると、MSF−(KNμ ) 
l/2 =+’H(ρ/e)”2 ocμ8  ・・・(4)こ
こで、ρ−1/ n eμ。素子と外部回路の整合性を
考えると、特性インピーダンスρ/lは、通常、10Ω
から10にΩの範囲にあることが望ましい。ホール素子
の高感度化には、この条件の下で、移動度と積感度が大
きい方が良い。積感度は、キャリヤ面密度(キャリヤ密
度と厚さの積)の逆数に比例するから、高感度化には薄
い能動層が必要である。
一方、磁気センサが、微小な磁界の検出に用いられる場
合には、信号対雑音比(S / N )が大きいことが
不可欠である。ホール出力と熱雑音v9をとって、S/
N比を定義すると、 S/N=Vo/VM =  (w/j2)ps  B  (P/4kT)””
xμH・・・(5) となる。ここで、kは、ボルツマン定数。Tは、素子温
度。S/Nを大きくするには、μイが大きいことが第1
条件である。
以上をまとめると、ある範囲の内部抵抗(例えば、外部
回路との整合性を考慮すると、望ましい素子の内部抵抗
は10ΩからIOKΩ)を有する条件の下で、磁気セン
サを高性能化するには、高移動度のキャリヤを極めて薄
い能動層に閉じ込めた構造が必要であるこ上が判明した
そこで、本発明では、バンドギャップの異なる二種類の
半導体、例えば、AlGaAsとGaAsのヘテロ接合
構造を設けることにより、その境界の狭い領域に電子を
閉じ込めた二次元電子ガス層が形成し、これを磁気セン
サの能動層として利用するとともに、このセンサの入出
力電極を二次元電子ガス層と複数箇所でオーム性接触を
有するように形成するという技術手段を採用する。
〔実施例〕
以下、本発明を図に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。
第1図は、本発明を特にホール素子用として適用した場
合のその概略構成図を示す。この場合、バンドギャップ
の異なる2種類の半導体層4と5のヘテロ接合部分には
、高移動度の二次元電子ガス層6が形成される。なお、
第1図において2a。
2bはホール素子Hに電流を流すための電流端子、3a
、3bは、ホール素子Hに磁束密度Bの磁界を加えた時
、発生するホール起電力■□を取り出すためのホール端
子である。
次に上記ホール素子Hの具体的な構造およびその製造方
法について説明する。
第2図は、A I G a A s / G a A 
s ヘテロ接合半導体の構造を示しており、半絶縁性S
、1.−GaAs基手反7の上に、ノンドープGaAs
 4、ノンドープAffQaAs5a、SiドープAl
GaAs 5 b、S iドープGaAs5cを順次分
子線結晶成長法(MBE)を用いて形成した。
なお、他に有機金属気相成長法、液相成長法等を用いて
もよい。
この第2図かられかるように、二次元電子ガス層2DE
G6は、ノンドープGaAs層4のノンドープ AlG
aAs層5の側の境界面上に形成される。なお、ノンド
ープAj!GaAs層5を設けた理由は、n型のSiが
ドープされたAlGaAsSb中のSiがノンドープG
aAs d中に侵入するのを防止するためであ。
また、上述した、電流端子2a、2bおよびホール端子
3a、3bの電極として機能するAu−Geオーム性電
極200が上記各層4. 5a、  5b、5’cとオ
ーム性接触を有するように形成されている。
なお結晶成長用の半絶縁性GaAs基板のクリーニング
は、濃硫酸、過酸化水素水、純水の混合液(容積比が4
 : 1 : 1、液温摂氏60度)中で約1分間エツ
チングし、結晶成長用真空槽の中でヒ素の蒸気をあてな
がら熱エツチングを行った。
結晶成長条件の代表例は以下の通りである。
1、Gaフラックス: 6 X 10−’  Torr
2、Asフランクス: 1.2 X 10−’  To
rr3、A1フランクス: 1.4 X 10−’  
Torr4、結晶成長温度 :摂氏630度 5、結晶成長速度 :1.2μ m / h r  (
CaAs)1.65μm/hr (A I G a A s ) 6、第1層:ノンドープGaAs (500nm)第2
層:ノンドープAlGaAs (15nm)第3層;S
iドープA’ffGaAs (100nm)第4層:S
iドープGaAs (10nm)ここで、Stドープ濃
度は1×1018cm弓。
7、オーミック電極はAuGe  (7%から12%)
/ N t / A u蒸着膜の合金化による。
試作したヘテロ接合ホール素子のエネルギーバンドを第
3図に示す。2次元電子ガス層は、SiドープしたA6
GaAsから供給される電子で満たされるが、AffG
aAs層中のキャリヤが多すぎると、すなわち、不純物
量が多すぎるか、またはAlGaAs層が厚過ぎると、
電子移動度の小さい余剰キャリヤをもつAlGaAs層
にも電流が流れる。これによって、ホール出力が低下す
る。
従って、AJGaAs層中の余剰キャリヤを無くすよう
にヘテロ接合半導体を作製することが重要である。
第7図および第8図は、上記構成のホール素子を具体的
な磁気センサに適用する具体例を示し、本例では、電流
端子2a、2b及びホール端子3a、3bに形成するA
u−Geオーム性電極2゜Oに多数のメサ型孔201を
設け、この金属薄膜200を直接二次元電子ガス層6に
接触させ、鷹移動度を確保することにより電流電圧特性
の線形性を向上させることができる。また、上記のよう
な構造にすることによって、オーム性電極200と半導
体層4,5との境界に凹凸が多数できるため、従来の均
一な電極構造に比べるとホール素子の形状効果は小さく
なり、大きなホール出力が得られる。
従って本実施例によれば、ヘテロ接合半窩体[R気セン
サでは、単結晶バルクInSbにおいて達成できる最大
の性能指数と同等の値が容易に得られる。これはGaA
sのエピタキシャル単結晶の2倍、同イオン注入膜の3
倍以上、さらに、Siに較べて約10倍以上の優れた性
能である。また、本発明の特徴の一つは、磁気センサ用
ヘテロ接合半窩体が高速トランジスタ(例えば、HEM
T)用材料として類似しており、同一基板上でのセンサ
と信号処理用トランジスタの集禎化が可能であることで
ある。雑音レベルが小さく、温度特性も良いため、従来
の半導体材料モは得られなかった高性能な磁気センサI
Cの開発が期待され、利用の拡大が見込まれる。
ここで、本実施例の磁気センサの特性について、本発明
者等が測定した測定値に基づいて説明する。
第4図及び第5図は、長さが346μmで幅が200μ
mの十字形ヘテロ接合ホール素子の電気特性を示す。磁
界比例性は良く、極めて大きい積感度1000V/AT
が得られた。しかも、5.7V/T (7,5mA)の
最大磁束密度感度は、従来の磁気センサでは得られなか
った値である。
第6図は、本発明のヘテロ接合磁気センサ(2DEG)
と現在使われている(n気センサの性能を積感度KH、
キャリヤ移動度μm、感度の性能指数(KM μ ) 
l/2、特性インピーダンスρ/Lの関係を用いて比較
したものである。本実施例によると、従来の半寡体材料
では達成できなかった高性能化の条件を満足しており、
予測通りの試作結果を得ている。
雑音特性と温度特性を調べた結果、雑音は約1kH,で
熱雑音レベルになり、温度特性もかなり良い結果を得て
いる。また、A /! G a A s / G aA
sシステムにおいては、/lの組成比の小さいものを製
作するか、又は、スーパードーピングによりGaAsと
同等の小さい温度依存性が見込まれる。
第1表は、代表的な試作ホール素子の特性をまとめたも
のである。
以下余白 第1表 〔発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば、極3領域に高移動度
の二次元電子ガス層を形成と共に、入出力電極をこの二
次元電子ガス層と複数箇所でオーム性接触を有するよう
に形成しているため、非常に高感度でかつ薄型の磁気セ
ンサが得られ、計測、制御の高精度、高速化に大きく貢
献することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
以下の図面は全て本発明の実施例を示し、第1図はヘテ
ロ接合ホール素子の概略構成図、第2図及び第3図は、
それぞれヘテロ接合ホール素子の模式断面図及びエネル
ギーバンド図、第4図及び第5図はヘテロ接合ホール素
子の磁束密度−ホール電圧特性図、及び入力電流−ホー
ル電圧特性図、第6図は、従来素子に対する本発明ヘテ
ロ接合ホール素子のキャリヤ移動度−積感度の性能を示
す特性図、第7図は第1図〜第3図に示すホール素子を
磁気センサに通用した場合の斜視図、第8図は第7図の
部分断面図である。 2a、2b・・・電流端子、3a、3b・・・ホール端
子、4・・・ノンドープGaAs、5a・・・ノンドー
プAI!’GaAs、5b・=St ドープAj2Ga
As。 5C・・・SiドープGaAs、6・・・二次元電子ガ
ス層、200−Au−Geオーム性電極、201・・・
メサ型孔。 代理人弁理士 岡  部   隆 第1図 第2図       第3図 キャリヤ枠動度  s(m/v、s) 第6図 ホール電圧 v、(v)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)バンドギャップの異なる異種半導体の接合部に、
    高移動度の二次元電子ガス層を形成せしめるヘテロ接合
    構造を包含するヘテロ接合磁気センサにおいて、 このヘテロ接合磁気センサには、前記二次元電子ガス層
    と複数箇所でオーム性接触を有する入出力電極が形成さ
    れていることを特徴とするヘテロ接合磁気センサ。
  2. (2)前記ヘテロ接合構造は、不純物を含まないCaA
    s層を不純物を含まないAlGaAs層に接合し、かつ
    このAlGaAs層にn型不純物を含むAlGaAs層
    を接合するように構成されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載のヘテロ接合磁気センサ。
JP61198508A 1986-08-25 1986-08-25 ヘテロ接合磁気センサ Granted JPS6354785A (ja)

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JPH0342707B2 JPH0342707B2 (ja) 1991-06-28

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Cited By (6)

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