DE3853657T2

DE3853657T2 - Magnetoelektrisches Element und Magnetoelektrischer Apparat.

Info

Publication number: DE3853657T2
Application number: DE3853657T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko C O Patent Divi Inoue; Tetsuo C O Patent Divisi Ishii; Yutaka C O Patent Div Tomisawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-08-31
Filing date: 1988-08-30
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2008-08-31
Also published as: EP0305978B1; DE3853657D1; JPH0671104B2; JPH01132184A; EP0305978A3; US5065204A; EP0305978A2; KR910007388B1; KR890004456A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung zum Erfassen bzw. Abtasten eines Magnetfelds und auf deren Verwendung in einem magnetoelektrischen Gerät bzw. Apparat, genauer, auf eine neuartige Halbleitervorrichtung (im folgenden auch als "magnetoelektrisches Element" bezeichnet) zur Wandlung eines Magnetfeldes in eine elektrische Kapazität mit Hilfe einer Lorentzkraft, die auf einen Strom im Magnetfeld wirkt, und zur Ausgäbe der gewandelten elektrischen Kapazität.
Ein Hallelement, das den Halleffekt nutzt, ist als ein magnetoelektrisches Element bekannt. Fig. 1 zeigt das Hallelement. Das Hallelement 1 enthält ein Cr-dotiertes halbisolierendes GaAs-Substrat 2, eine kreuzförmige magnetoelektrische Schicht 3, die man durch Dotierung des Substrats 2 mit N-Typ-Verunreinigungen erhält, und vier Metallelektroden 4a, 4b, 4c und 4d, die jeweils an den vier entfernten Enden eines Kreuzteils der Schicht 3 gebildet sind. Ein Strom wird von außen in die Elektroden 4a und 4b eingespeist. In diesem Fall wird der Strom 1 in einer Richtung von der Elektrode 4a zu 4b eingespeist. Zusätzlich wird ein Magnetfeld vertikal nach unten bezüglich der Zeichnungsebene angelegt. Der Strom I unterliegt der Lorentzkraft, die durch das Magnetfeld verursacht wird, und wird zur Elektrode 4c abgelenkt. Die Ladungsträger des Stroms in der magnetoelektrischen N-Typ-Schicht 3 sind Elektronen, und die Elektronen werden als Ladungsträger zur Elektrode 4d abgelenkt. Deshalb wird eine elektromotorische Kraft, bei der die Elektrode 4c eine positive Polarität und die Elektrode 4d eine negative Polarität hat, erzeugt. Da die Stärke des Magnetfelds proportional zur Lorentzkraft ist, die auf die Elektronen wirkt, ist diese elektromotorische Kraft proportional zur Stärke des Magnetfelds. Deshalb bildet das Hallelement ein magnetoelektrisches Element, das in der Lage ist, ein Magnetfeld in eine elektromotorische Kraft zu wandeln.
In Fig. 1 ist die Ausgangsspannung V, die zwischen den Elektroden 4c und 4d des Hallelements erzeugt wird, an das das Magnetfeld angelegt wurde, durch die folgende Gleichung wiedergegeben:
VH =K*RdIB ...(1)
wobei K* eine Konstante, eine sogenannte spezifische Empfindlichkeit, ist, Rd der elektrische Widerstand einer magnetoelektrischen Schicht zwischen den Elektroden 4a und 4b ist, I der Strom zwischen den Elektroden 4a und 4b ist und B die magnetische Flußdichte ist. In Gleichung (1) ändert sich die Höhe der Spannung VH proportional zur magnetischen Flußdichte. Deshalb wird ein Signal der Spannung VH als Analogsignal erhalten.
Darüber hinaus wird nach Gleichung (1) die Spannung VH theoretisch nicht erzeugt, wenn B = 0, d.h. wenn kein Magnetfeld erzeugt wird. Jedoch wird in Wirklichkeit eine gewisse Rauschspannung erzeugt. Diese wird als eine Offset-Spannung bezeichnet. Deshalb schließt die Spannung VH die Offset-Spannung VHO eigentlich mit ein, und die Gleichung (1) kann unter der Annahme, daß eine tatsächliche Ausgangsspannung durch VHM repräsentiert wird, wie folgt umgeschrieben werden:
VHM = VH + VHO = K*RdIB + VHO ... (2)
In Gleichung (2) muß eine Bedingung VH » VHO erfüllt sein, um ein minimales Magnetfeld zu detektieren. VHO/VH wird als Offset-Verhältnis bezeichnet, und ein Ergebnis, das wirklich benutzt werden soll, muß ein Offset-Verhältnis von 10 % erfüllen. Beispielsweise ist bei einem Hallelement, bei dem VH = 100 mV erhalten wird, wenn B = 1000 Gauß, eine minimale Detektionsgrenze des Magnetfelds wie folgt gegeben:
1000 Gauß x 10 % = 100 Gauß ...(3)
Da dieser Wert eine theoretische Grenze repräsentiert, muß eine tatsächliche Grenze in Anbetracht einer praktischen Genauigkeit das zwei- bis dreifache der theoretischen Grenze sein. Deshalb ist die tatsächliche minimale Grenze 200 bis 300 Gauß.
Wie oben beschrieben, hat das Hallelement eine vergleichsweise große minimale Detektionsgrenze. Um die Detektionsempfindlichkeit weiter zu verbessern, muß VHO minimiert werden. Jedoch wird die Präsenz von VHO teilweise durch eine (mangelnde) Größengenauigkeit und Ungleichmäßigkeit des Komponentenmaterials bei der Herstellung des Hallelements verursacht. Es ist schwierig, Unannehmlichkeiten, die durch diese Faktoren bei der Herstellung verursacht werden, wirtschaftlich zu reduzieren. Aus diesem Grund hat sich eine Nachfrage nach einem magnetoelektrischen Element mit hoher Detektionsempfindlichkeit ergeben, das anstelle des Hallelements eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus wird entsprechend der neuesten Fortschritte in der IC-Technik Information im allgemeinen digital verarbeitet und gesteuert. Um einen Ausgang des Hallelements digital zu verarbeiten, muß ein Ausgangssignal des Hallelements in ein digitales Signal umgewandelt werden. Um das Ausgangssignal des Hallelements zu digitalisieren, muß das Ausgangssignal analog/digital(A/D)-gewandelt werden, und ein sogenannter Vorverstärker zur Verstärkung des Ausgangssignals des Hal lelements zu einem Ausgangssignal mit vorbestimmter Größe ist notwendig. Aus diesen Gründen ist eine elektrische Schaltung kompliziert, und daher wird die Realisierung einer IC-Anordnung schwierig und ein IC teuer.
Das bekannte Dokument US-A-4 100 563 offenbart einen magnetischen Halbleiterumformer, bei dem magnetisch empfindliche Halbleiterelemente, geeignet zur Fertigung von bzw. Verwendung in monolithisch integrierten Schaltungen, eine Halbleiter-Hauptregion eines Leitfähigkeitstyps mit einer Kontaktvorrichtung, um einen Stromfluß hauptsächlich parallel zu einer Hauptachse zu gewährleisten, enthalten. Ein Magnetfeld wird entlang einer zweiten orthogonalen Achse angelegt, und mindestens drei Leitfähigkeitsregionen zweiten Typs, die in Kombination mit der ersten Hauptregion eine Transistorstruktur mit Differentialeigenschaften bilden, werden entlang einer dritten gegenseitig orthogonalen Achse angeordnet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Halbleitervorrichtung zur Erfassung bzw. Wahrnehmung eines Magnetfeldes zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, ein Signal auszugeben, das leicht digital umgewandelt werden kann, und die eine hohe Detektionsempfindlichkeit hat.
Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine wie in Anspruch 1 beschriebene Halbleitervorrichtung zur Verfügung.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung eine Halbleitervorrichtung zur Verfügung, die enthält: ein Substrat; eine Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps, das auf dem Substrat gebildet ist; eine Stromeinspeiselektrode bzw. Stromversorgungselektrode zur Einspeisung eines Stroms in die Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps; und eine elektrische Kapazitätsdetektionselektrode zur Detektion einer elektrischen Kapazität, und ein magnetoelektrisches Gerät, das enthält: das magnetoelektrische Element; und eine elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung, die zwischen der elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode und der Stromeinspeiselektrode des magnetoelektrischen Elements gebildet ist.
Ein Magnetfeld kann in eine elektrische Kapazität umgeformt werden, und die Kapazität kann durch das magnetoelektrische Element gemäß der vorliegenden Erfindung ausgegeben werden. Deshalb kann die Detektionsempfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld weiter verbessert werden. Darüber hinaus kann, da das magnetoelektrische Gerät der vorliegenden Erfindung das Magnetfeld als einen Frequenzwechsel ausgeben kann, ein Signal ausgegeben werden, das einfach digital gewandelt werden kann.
Diese Erfindung kann durch die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Zusammenhang gebracht wird, in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die ein konventionelles Hallelement zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht ist, die ein magnetoelektrisches Element gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3A eine Draufsicht zur Erläuterung einer Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 3B eine Draufsicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 3C eine Schnittansicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 3B gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 3D eine Draufsicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 3E eine Schnittansicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 3D gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 3F eine Draufsicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 3G eine Schnittansicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten der ersten Ausführungsform ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 3F gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig 4 eine Draufsicht zur Erläuterung einer Funktion der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 5 eine Draufsicht ist, die eine Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 6A eine Draufsicht ist, die eine andere Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 6B eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 6A gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 7A eine Draufsicht ist, die eine zweite Ausführungsform zeigt;
Fig. 7B eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 7A gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 8 eine Draufsicht zur Erläuterung einer Funktion der zweiten Ausführungsform ist;
Fig. 9A eine Draufsicht ist, die eine Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
Fig. 9B eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 9A gezeigten elektromagnetischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 10A eine Draufsicht ist, die eine andere Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
Fig. 10B eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 10A gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 10C eine Schnittansicht zur Erläuterung einer Reihe von Herstellungsschritten einer anderen Modifikation der zweiten Ausführungsform ist;
Fig. 10D eine Draufsicht zur Erläuterung der Reihe von Herstellungsschritten einer anderen Modifikation der zweiten Ausführungsform ist;
Fig. 10E eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 10D gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 11A eine Draufsicht ist, die eine dritte Ausführungsform zeigt;
Fig. 11B eine Schnittansicht ist, die entlang der Linie I-I des in Fig. 11A gezeigten magnetoelektrischen Elements aufgenommen ist;
Fig. 12 ein Schaltungsdiagramm ist, das das magnetoelektrische Gerät gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 13 eine Draufsicht ist, die eine Modifikation des magnetoelektrischen Elements zeigt, das in dem in Fig. 12 gezeigten magnetoelektrischen Gerät genutzt wird; und
Fig. 14 und 15 Graphen sind, die Charakteristiken des magnetoelektrischen Geräts zeigen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines magnetoelektrischen Elements gemäß der vorliegenden Erfindung. Beim magnetoelektrischen Element 10 wird eine im wesentlichen rechteckige Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel N-Typ-Halbleiterschicht 14, auf einem halbisolierendem GaAs-Substrat 12 gebildet. Die Halbleiterschichten des anderen Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel P-Typ-Halbleiterschichten 16a und 16b, werden rechtwinklig ausgebildet, um beide Seiten eines Zentralteils der Schicht 14 zu kontaktieren, und erstrecken sich jeweils in entgegengesetzten Richtungen. Deshalb werden die PN-Übergänge zu Mehrfach- bzw. Sandwich-Schichten 14 ausgebildet. Darüber hinaus wird ein Paar von Stromeinspeiselektroden 18a und 18b zum Einspeisen eines Stroms entlang der PN-Verbindungsoberfläche an beiden Endteilen der Schicht 14 gebildet, und elektrische Kapazitätsdetektionselektroden 20a und 20b zur Detektion einer elektrischen Kapazität der PN-Verbindungen werden an den Endteilen der Schichten 16a bzw. 16b gebildet.
Nachfolgend werden die Herstellungsschritte des Elements 10 beschrieben. Zunächst werden, wie in den Fig. 3B und 3C gezeigt, Siliziumionen in einen vorbestimmten Teil des Substrats 12 implantiert, um die Schicht 14 zu bilden. Dann werden wie in den Fig. 3D und 3E gezeigt, Zinkionen implantiert, um die Schichten 16a und 16b zu bilden. Danach wird das Substrat 12 bei 850ºC 15 Minuten lang getempert, um die Silizium- und Zinkionen zu aktivieren. Danach werden, wie in den Fig. 3F und 3G gezeigt, die Elektroden 20a und 20b in ohm'schem Kontakt mit den Endteilen der Schichten 16a bzw. 16b gebildet. Darüber hinaus werden, wie in Fig. 3A gezeigt, die Elektroden 18a und 18b in ohm'schem Kontakt mit den beiden Enden der Schicht 14 gebildet.
Bezug nehmend auf Fig. 4 wird eine Funktion des Elements 10 beschrieben. Wie bekannt ist, hat ein PN-Übergang eine elektrische Kapazität, eine sogenannte Übergangs-Kapazität bzw. Sperrschichtkapazität. Die Größe der Sperrschichtkapazität hängt von den Gestaltungen der Raumladungszonen (auch Verarmungsschichten bzw. Sperrschicht genannt) 22a und 22b ab, die aus Donatorionen +, Akzeptorionen - und einer Ionenkonzentration bestehen. Ein Strom von der externen Stromquelle E wird von der Elektrode 18a zur Elektrode 18b entlang der PN- Übergangsoberflächen, das heißt der Oberflächen der Schichten 22a und 22b, eingespeist. In diesem Zustand, wenn ein Magnetfeld an das Element 10 vertikal nach unten bezüglich der Zeichenebene angelegt wird, wird eine effektive elektrische Kapazität zwischen den Elektroden 20a und 18b reduziert, und jene zwischen den Elektroden 20b und 18b erhöht. Als Ursache für dieses Ergebnis kann folgendes angenommen werden. Der Strom I wird nämlich durch die Lorentzkraft, die auf einen Strom im Magnetfeld wirkt, zur Schicht 22b abgelenkt. Deshalb wird, da die Dichte der Elektronen als Ladungsträger des Stroms I auf der Seite der Schicht 22b erhöht ist, die elektrische Kapazität an der Seite der Elektrode 20b erhöht. Auf der anderen Seite, die der Schicht 22a, ist die Elektronendichte reduziert, und eine elektrische Ladung der Donatorionen ist übermäßig erhöht. Deshalb ist die elektrische Kapazität an der Seite der Elektrode 20a reduziert. Aus diesem Grund kann ein Wechsel der Magnetfeldstärke als ein Wechsel der elektrischen Kapazität der Elektroden 20a und 20b auf der Basis einer elektrischen Kapazität, die erhalten wird, wenn ein konstanter Strom I eingespeist wird und kein Magnetfeld angelegt ist, ausgegeben werden. Eine Kombination von Elektroden 20a oder 20b und 18a oder 18b kann entsprechend der Anwendungen ausgewählt werden. Obwohl das in Fig. 1 gezeigte Element 10 eine Kreuzform hat, im wesentlichen die gleiche Form wie die eines konventionellen Hallelements, können verschiedene Modifikationen mit anderen Formen gemacht werden. Beispielsweise kann eine Modifikation mit einer Form, die nur einen PN-Übergang, das heißt nur eine wie in Fig. 5 gezeigte elektrische Kapazitätsdetektionselektrode enthält, gemacht werden. Das magnetoelektrische Element 10, das als andere Modifikation in den Fig. 6A und 6B gezeigt ist, hat eine Form, bei der die P-Typ-Halbleiterschicht 16 so ausgebildet ist, daß sie sich nahe eines zentralen Teils der N-Typ-Halbleiterschicht 14 erstreckt, und hauptsächlich wird eine Übergangskapazität, die durch eine Raumladungszone an einem Teil der Schicht 16 in Kontakt mit der Schicht 14 erhalten wird, genutzt.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Fig. 7A und 7B wird eine Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel eine N-Typ-Halbleiterschicht 26, auf einem vorbestimmten Teil des P-Typ-Siliziumsubstrats 24 gebildet. Eine Isolierschicht 28 wird auf den Oberflächen der Schichten 24 und 26 gebildet. Die Stromeinspeiselektroden 30a und 30b werden über Kontaktteile (N&spplus;), die in Kontaktmit dem P-Typ-Silizium sind, in ohm'schem Kontakt mit den Endteilen der Schicht 26 gebildet. Dann werden elektrische Kapazitätsdetektionselektroden 32a und 32b gebildet, die sich über die Schicht 24 erstrecken und einen Spalt 34 haben, der hauptsächlich auf einem Zentralteil der Schicht 26 gebildet ist, um elektrische Kapazitäten zu bilden und die elektrischen Kapazität zu detektieren. Der Strom I wird über die Elektroden 30a und 30b von einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) in die Schicht 26 in einer Richtung, die durch einen Pfeil angedeutet ist, eingespeist.
Das magnetoelektrische Element 20 dieser Ausführungsform ist durch ein konventionelles Herstellungsverfahren hergestellt. Phosphorionen werden selektiv in das Substrat 24 implantiert, um die Schicht 26 zu bilden, und daraufhin wird die Oberfläche oxidiert, um die Isolationsschicht 28 zu bilden. Danach wird die Schicht 28 am Kontaktteil 27, auf dem die Elektroden 30a und 30b gebildet werden müssen, geätzt und entfernt, und die Elektroden 30a, 30b, 32a und 32b werden beispielsweise aus Al gebildet. Dann wird das Element 20 gesintert, um die Elektroden 30a und 30b mit der Schicht 26 ohm'sch zu kontaktieren.
Bezug nehmend auf Fig. 8 wird unten eine Funktion des Elements 20 beschrieben. Die Elektroden 32a und 32b sind voneinander durch einen Spalt 34 getrennt und liegen teilweise durch die Schicht 28 der Schicht 26 gegenüber. Folglich wird eine elektrische Kapazität einer sogenannten MIS-Struktur gebildet. Eine effektive elektrische Kapazität pro Flächeneinheit hängt von der Anzahl der Elektronen in der Schicht 26 ab. Der Strom I wird von der Elektrode 30a zu 30b eingespeist, und ein Magnetfeld B wird vertikal nach unten bezüglich der Zeichenebene angelegt. Deshalb sind die Elektronen, die durch das Magnetfeld der Lorentzkraft unterworfen sind, stärker auf der Seite der Elektrode 32b verteilt und schwächer auf der Seite der Elektrode 32a verteilt. Als ein Resultat wird die effektive elektrische Kapazität pro Flächeneinheit zwischen den Elektroden 32a und 30a oder 30b reduziert, und jene zwischen den Elektroden 32b und 30a oder 30b erhöht. Da Änderungen der elektrischen Kapazität von der angelegten Magnetfeldstärke abhängen, kann die Magnetfeldstärke als die Änderung der effektiven elektrischen Kapazität ausgegeben werden.
Fig. 9 zeigt eine Modifikation dieser Ausführungsform. Ein magnetoelektrisches Element dieser Modifikation hat eine MIS-Struktur, in der eine Stromkapazitätsdetektionselektrode ausgebildet ist. Der gleiche Effekt kann durch diese Modifikation erreicht werden.
Die Fig. 10A und 10B zeigen eine andere Modifikation der obigen Ausführungsform. Diese Modifikation wird wie folgt gebildet. Das heißt, wie in Fig. 10C gezeigt, sehr dünne Filme aus undotiertem GaAs 38a, aus undotiertem AlGaAs 38b, aus Si-dotiertem AlGaAs 38c mit einer Konzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ und aus Si-dotiertem GaAs 38d mit einer Konzentration von 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ werden nacheinander auf dem halbisolierendem GaAs-Substrat 36 geschichtet. Dann werden7 wie in den Fig. 10D und 10E gezeigt, Siliziumionen in die Kontaktteile 40 implantiert, auf denen die Stromeinspeiselektroden zu bilden sind. Nachfolgend werden, um das Element zu isolieren, Borionen in die Isolierregion 42 implantiert, um einen hohen Widerstand zu erhalten, und Tempern bei 800ºC wird für 15 Minuten durchgeführt. Danach werden, wie in den Fig. 10A und 10B gezeigt, die Stromeinspeiselektroden 44a und 44b und die elektrischen Kapazitätsdetektionselektroden 46a und 46b auf vorbestimmten Teilen gebildet. Als ein Resultat wird ein Heteroübergang durch die sehr dünnen Filme 38a, 38b, 38c und 38d gebildet. Deshalb wird in der Nähe einer Grenzfläche des undotierten GaAs 38a auf dem (und des) AlGaAs- Film(s) 38b eine zweidimensionale Elektronengasschicht gebildet. Die zweidimensionale Elektronengasschicht wirkt ähnlich wie die Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps der MIS-Struktur der zweiten Ausführungsform. In diesem Fall verbessert der Film 38d einen Kontakt bezüglich des Kontaktteils 40. In dieser Ausführungsform können andere Halbleiter wie InP als ein Substrat verwendet werden. Darüber hinaus können andere zweidimensionale Elektronengasstrukturen verwendet werden.
Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Fig. 11A und 11B wird eine Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps, zum Beispiel eine N-Typ-Halbleiterschicht 52, auf einem vorbestimmten Teil des halbisolierenden GaAs-Substrats 50 gebildet. Elektrische Kapazitätsdetektionselektroden 51a und 51b werden in Kontakt mit den Oberflächen des Substrats 50 und der Schicht 52 gebildet. Die Kontakte werden zu Schottky-Kontakten. Die Elektroden 51a und 51b werden gegenüber einander auf beiden Seiten des Spalts 54 gebildet, und die Teile der Elektroden 51a und 51b, die die Schicht 52 kontaktieren, bilden Schottky-Elektroden. Eine Verarmungsschichtkapazität, die eine elektrische Kapazität durch eine Schottky-Barriere ist, wird an einer Grenzfläche der Teile der Schottky-Elektrode gebildet. Die Stromeinspeiselektroden 53a und 53b werden in ohm'schem Kontakt mit beiden Endteilen der Schicht 52 gebildet. Eine externe Stromquelle wird mit den Elektroden 53a und 53b verbunden und speist einen Strom in die Schicht 52 ein.
Das magnetoelektrische Element 30 dieser Ausführungsform wird durch ein konventionelles Verfahren hergestellt. Das heißt Siliziumionen werden in einen vorbestimmten Teil des Substrats 50 implantiert, und Tempern wird bei 850ºC für 15 Minuten durchgeführt, um die Ionen zu aktivieren, wobei die Schicht 52 gebildet wird. Danach werden die Elektroden 53a und 53b beispielsweise aus AuGe/Ni und die Elektroden 51a und 51b aus beispielsweise Ti/Pt/Au durch Photolithographie gebildet.
Das Element 30 dieser Ausführungsform nutzt die Verarmungsschichtkapazitäten der Schichten 55a und 55b an den Teilen, an denen die Schicht 52 mit den Elektroden 51a und 51b in Schottky-Kontakt gebracht wird.
Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform des magnetoelektrischen Geräts. In dieser Ausführungsform schließt das magnetoelektrische Gerät 60 ein magnetoelektrisches Element 10 der ersten Ausführungsform und einen CR- Oszillator 62 als eine elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung ein. Ein Teil, umrandet durch eine Strichpunktlinie, repräsentiert das Gerät 60. Im Gerät 60 sind das Element 10 und der Oszillator 62 auf einem einzigen monokristallinen Substrat integriert. Der Oszillator 62 ist ein Parallelkapazitäts-Phasenverschiebungstyp, der Fachmännern auf diesem Gebiet bekannt ist, bei dem eine elektrische Kapazität zwischen der elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode 20b und der Stromeinspeiselektrode 18b als eine Kapazität eines Phasenschieberkondensators genutzt wird. Eine Oszillationsfrequenz des Oszillators 62 wird entsprechend der Größe des Phasenschieberkondensators C geändert. Eine vom Element 10 ausgegebene Oszillation wird entweder direkt oder über einen Frequenzteiler an einen Frequenzzähler angelegt, und eine magnetische Flußdichte kann durch Ziffern auf einer Anzeige, wie etwa LEDs, angezeigt werden. Alternativ wird der Oszillationsausgang als ein digitales Steuersignal zu einer Schaltung geleitet, die über eine Steuer-CPU gesteuert werden muß, zum Beispiel ein Motorrotationssteuergerät. Man beachte, daß ein Kondensator mit variabler Permeabilität zwischen den Elektroden 20b und 18b aufgebaut ist und ein elektrischer Widerstand der Schicht 14 wird als ein interner Widerstand dem Kondensator mit variabler Permeabilität hinzugefügt. Deshalb kann ein Widerstand bezüglich eines R des CR-Oszillators hinreichend niedrig eingestellt werden. Darüber hinaus kann der elektrische Widerstand der Schicht 14 positiv genutzt werden. Das heißt der elektrische Widerstand kann als Phasenschieberwiderstand R zusammen mit dem Phasenschieberkondensator genutzt werden. In diesem Fall wird der Widerstand R zufällig eingestellt, und die Abzweigelektrode 17 wird, wie in Fig. 13 gezeigt, in der Mitte der Schicht 14 gebildet.
Ein Ausgangssignal des Elements 10 dieser Ausführungsform wird als elektrische Kapazität C detektiert. Eine Beziehung zwischen der Kapazität C und der magnetischen Flußdichte B ist in Fig. 14 gezeigt. In Fig. 14 repräsentiert C0 eine elektrische Kapazität, die erhalten wird, wenn die magnetische Flußdichte Null ist. Fig. 15 zeigt eine Beziehung zwischen der Anzeige f des in Fig. 12 gezeigten Frequenzzählers und der Kapazität C. Wie oben beschrieben, kann, wenn das magnetische Umformgerät, das durch die Verbindung des Oszillators mit dem magnetischen Umformelement erhalten wird, ein AC- Signal ausgeben kann, die Detektionsempfindlichkeit gegenüber einem Magnetfeld stark verbessert werden. Der Grund dafür ist folgender. Das heißt mit Fig. 14, es wird angenommen, daß ein Ausgangssignal des Elements 10 von der Kapazität C&sub0; um ΔC erhöht wird, weil ein Magnetfeld leicht angestiegen ist. Dann wird die in Fig. 15 gezeigte Oszillationsfrequenz f&sub0; um Δf reduziert. Um Δf zu detektieren, kann einfach ein Frequenzteiler, der eine Referenzfrequenz eines Kristalloszillators verwendet, der durch Prozesse in der IC-Technik erhalten wird, verwendet werden. Der Kristalloszillator hat eine Präzision von 10&supmin;&sup5; oder weniger und kann deshalb mit hoher Präzision detektieren. Ein Temperaturstabilitätskoeffizient des magnetoelektrischen Elements kann durch die Wahl von GaAs als geeignetes Material auf 1 % oder weniger reduziert werden. Deshalb hängt eine Präzisionsgrenze von einer Stromquellenschwankung der in Fig. 12 gezeigten Schaltung ab. Mit modernen Prozessen der IC-Techniken kann eine Stromquellenstabilität von 1 % ohne weiteres erreicht werden. Deshalb wird, verglichen mit Gleichung (3), die folgende Gleichung erhalten:
1000 Gauß x 1 % = 10 Gauß ...(4) ΔDas heißt, 10 Gauß sind eine theoretische Grenze. Eine praktische Präzision ist auf 20 bis 30 Gauß reduziert, die das zwei- bis dreifache von 10 Gauß sind. Als ein Ergebnis kann eine Empfindlichkeit erreicht werden, die das zehnfache jener des konventionellen Hallelements ist.
Im Gerät 60 können die magnetoelektrischen Elemente der zweiten und dritten Ausführungsformen anstelle des der ersten Ausführungsform verwendet werden, um die gleichen Funktionen und Effekte zu erhalten. Anstelle des CR-Oszillators können andere Oszillatoren als elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtungen verwendet werden. Das heißt, irgendein Oszillator kann als elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung verwendet werden, solange eine elektrische Kapazität zwischen der elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode und der Stromeinspeiselektrode als eine elektrische Kapazität eines Kondensators, der den Oszillationsfrequenzbedingungen genügt, verwendet werden kann. Beispielsweise kann das magnetoelektrische Element als ein C in einem LC-Abstimmoszillator oder als ein C zur Bestimmung einer Periode eines Pulsgenerators verwendet werden.
Gemäß dem magnetoelektrischen Element und dem magnetoelektrischen Gerät der vorliegenden Erfindung wird ein Feld in eine elektrische Kapazität umgeformt und dann ausgegeben. Deshalb kann die Detektionsempfindlichkeit gegenüber dem magnetischen Feld wesentlich verbessert werden, ohne von einer Offset-Spannung des konventionellen Hallelements beeinträchtigt zu werden. Darüber hinaus kann, da ein Oszillator als die elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung verwendet wird, um das Magnetfeld in eine Frequenzänderung umzuformen und auszugeben, ein Signal, das einfach digital gewandelt werden kann, ausgegeben werden.

Claims

1. Halbleitervorrichtung (10) zum Erfassen eines Magnetfelds, enthaltend:

ein Substrat (12),

eine erste Halbleiterstreifenschicht (14) eines einen Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberfläche des Substrats (12) in einer einen Richtung gebildet ist, und

Stromeinspeiselektroden (18a, 18b), die auf der Oberfläche der Endteile der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) und in ohm'schem Kontakt mit der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) gebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens eine zweite Halbleiterstreifenschicht (16; 16a, 16b) des anderen Leitfähigkeitstyps in der Oberfläche des Substrats (12) in einer anderen Richtung senkrecht zu der einen Richtung gebildet und mit der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) kontaktiert ist, um einen PN-Übergang auf mindestens einer Seite eines Zentralteils der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) zu bilden,

die Stromeinspeiselektroden (18a, 18b) ausgebildet sind, um einen Strom entlang einer Oberfläche der PN-Übergänge einzuspeisen; und

mindestens eine elektrische Kapazitätsdetektionselektrode (20; 20a, 20b) auf der Oberfläche der Endteile der mindestens einen zweiten Halbleiterstreifenschicht (16; 16a, 16b) und in ohm'schem Kontakt mit der mindestens einen zweiten Halbleiterstreifenschicht (16; 16a, 16b) zur Detektion der elektrischen Kapazität des PN-Übergangs gebildet ist, um das senkrecht zur Oberfläche des Substrats (12) angelegte Magnetfeld zu erfassen bzw. abzutasten.

2. Halbleitervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptoberfläche der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) und eine Hauptoberfläche der mindestens einen zweiten Halbleiterstreifenschicht (16a, 16b) mit einer Hauptoberfläche des Substrats (12) übereinstimmen, und die mindestens eine zweite Halbleiterstreifenschicht (16,a, 16b) in Kontakt mit beiden Seiten eines Zentral teils der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) gebracht ist, um den PN-Übergang zu bilden.

3. Halbleitervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptoberfläche der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) und eine Hauptoberfläche der mindestens einen zweiten Halbleiterstreifenschicht (16) mit einer Hauptoberfläche des Substrats (12) übereinstimmen, und die mindestens eine zweite Halbleiterstreifenschicht (16) mit der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) durch den PN-Übergang verbunden ist.

4. Halbleitervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptoberfläche der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) und eine Hauptoberfläche der mindestens einen zweiten Halbleiterstreifenschicht (16) mit einer Hauptoberfläche des Substrats (12) übereinstimmen, und die mindestens eine zweite Halbleiterstreifenschicht (16) sich erstreckt zu und durch den PN-Übergang verbunden ist mit einer im wesentlichen mittleren Region der ersten Halbleiterstreifenschicht (14) bezüglich ihrer Länge.

5. Halbleitervorrichtung (20) zum Erfassen eines Magnetfelds, enthaltend:

ein Substrat (24; 36);

eine Halbleiterstreifenschicht (26; 38a) eines einen Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberfläche des Substrats (24; 36) in einer Richtung ausgebildet ist; und

Stromeinspeiselektroden (30a, 30b; 44a, 44b) die auf der Oberfläche der Endteile der Halbleiterstreifenschicht (26; 38a) des einen Leitfähigkeitstyps und in ohm'schen Kontakt mit der Halbleiterstreifenschicht (26; 38a) des einen Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Isolationsschicht (28; 38d) auf der Oberfläche des Substrats (24; 36), mit Ausnahme der Oberfläche, auf der die Stromeinspeiselektroden (30a, 30b, 44a, 44b) gebildete sind, ausgebildet ist;

die Stromeinspeiselektroden (30a, 30b; 44a, 44b) ausgebildet sind, um eine Strom in die Halbleiterstreifenschicht (26; 38a) des einen Leitfähigkeitstyps entlang der Isolationsschicht (28; 38d) einzuspeisen; und

mindestens eine elektrische Kapazitätsdetektionsstreifenelektrode (32a, 32b; 46a, 46b) in einer anderen Richtung senkrecht zu der einen Richtung auf der Isolationsschicht (28; 38d) gebildet ist, um sich über einen Teil eines Zentralbereichs der Halbleiterstreifenschicht (26; 38a) des einen Leitfähigkeitstyps zur Detektion einer elektrischen Kapazität zwischen den Stromeinspeiselektroden (30a, 30b; 44a, 44b) und der mindestens einen elektrischen Kapazitätsdetektionsstreifenelektrode (32a, 32b; 32; 46a, 46b) zu erstrecken, um das senkrecht zur Oberfläche des Substrats (24; 36) angelegte Magnetfeld abzutasten bzw. zu erfassen.

6. Halbleitervorrichtung (20) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kapazitätsdetektionsstreifenelektroden (32a, 32b) zwei Streifenelektroden (32a, 32b) enthält, die auf der Isolationsschicht (28) ausgebildet sind und sich in entgegengesetzten Richtungen erstrecken, um einen Spalt (34) über der Mitte der Halbleiterstreifenschicht (26; 38a) zu bilden, wobei der Spalt (34 entlang einer Richtung des Stroms ausgebildet ist, der von den Stromeinspeisstreifenelektroden (30a, 30b) zur Halbleiterschicht (26) des einen Leitfähigkeitstyps eingespeist wird.

7. Halbleitervorrichtung (20) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Kapazitätsdetektionsstreifenelektrode (32) auf der Isolationsschicht (28) gebildet ist.

8. Halbleitervorrichtung (30) zum Abtasten bzw. Erfassen eines Magnetfelds, enthaltend:

ein Substrat (50);

eine Halbleiterstreifenschicht (52) eines Leitfähigkeitstyps, die auf der Oberfläche des Substrats (50) in einer Richtung ausgebildet ist; und Stromeinspeiselektroden (53a, 53b), die auf der Oberfläche der Endteile der Halbleiterstreifenschicht (52) des einen Leitfähigkeitstyps und in ohm'schen Kontakt mit der Halbleiterschicht (52) des einen Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Stromeinspeiselektroden (53a, 53b) ausgebildet sind, um einen Strom in die Halbleiterstreifenschicht (52) des einen Leitfähigkeitstyps einzuspeisen; und

elektrische Kapazitätsdetektionsstreifenelektroden (51, 51b) in einer anderen Richtung senkrecht zu der einen Richtung und in Schottky-Kontakt mit einer Hauptoberfläche der Halbleiterstreifenschicht (52) des einen Leitfähigkeitstyps zur Detektion einer elektrischen Kapazität zwischen der Halbleiterstreifenschicht (52) des einen Leitfähigkeitstyps und der elektrischen Kapazitätsdetektionsstreifenelektroden (51a, 51b) ausgebildet sind, um das senkrecht zur Oberfläche des Substrats (50) angelegte Magnetfeld abzutasten bzw. zu erfassen.

9. Halbleitervorrichtung (30) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kapazitätsdetektionsstreifenelektroden (51a, 51b) zwei Streifenelektroden (51a, 51b), die auf dem Substrat (50) ausgebildet sind, um einander an einem Spalt (54) gegenüberzustehen, umfassen, wobei der Spalt (54) entlang einer Richtung des Stroms ausgebildet ist, der von den Stromeinspeiselektroden (53a, 53b) zur Halbleiterschicht (52) des einen Leitfähigkeitstyps eingespeist ist.

10. Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 in einem magnetoelektrischen Gerät zur Umformung des Magnetismuses in Elektrizität, wobei eine elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung zwischen der elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode (20, 20a, 20b) und den Stromeinspeiselektroden (18a, 18b) der Halbleitervorrichtung (10) ausgebildet ist.

11. Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß irgendeines der Ansprüche 5 bis 7 in einem magnetoelektrischen Gerät zur Umformung des Magnetismuses in Elektrizität, wobei eine elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung zwischen mindestens einer elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode (32, 32a, 32b) und den Stromeinspeiselektroden (30a, 30b) der Halbleitervorrichtung (20) ausgebildet ist.

12. Verwendung der Halbleitervorrichtung gemäß irgendeines der Ansprüche 8 oder 9 in einem magnetoelektrischen Gerät zur Umformung des Magnetismuses in Elektrizität, wobei eine elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung zwischen der elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode (51a, 51b) und den Stromeinspeiselektroden (53a, 53b) der Halbleitervorrichtung (20) ausgebildet ist.

13. Verwendung gemäß der Ansprüche 10 oder 11, wobei die elektrische Kapazitätsdetektionseinrichtung einen CR-Oszillator (62) enthält, und eine elektrische Kapazität zwischen der elektrischen Kapazitätsdetektionselektrode (20, 20a, 20b; 32, 32a, 32b; 51a, 51b) und den Stromeinspeiselektroden (18a, 18b; 30a, 30b; 53a, 53b) als eine Kapazität eines Phasenschieberkondensators verwendet wird.

14. Verwendung gemäß Anspruch 10, wobei eine Abzweigelektrode in einem im wesentlichen zentralen Bereich der Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist.