DE69105294T2 - Magnetowiderstand. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dünnfilmmagnetoresistor wie im Oberbegriff von Anspruch 1 spezifiziert, z.B. wie in der SU-A-920596 offenbart.
• Magnetoresistoren sind Widerstände, deren Widerstandswert variiert wird, indem ein Magnetfeld über den Widerstand angelegt wird. Magentoresistoren können in Verbindung mit einem Permanentmagneten verwendet werden, um den Abstand zwischen den Magneten und dem Magnetoresistor zu erfassen. Dies führt zu ihrer potentiellen Anwendung in positionserfassenden Geräten, wie jenen, die in der Automobilindustrie verwendet werden. Es gibt im wesentlichen zwei Klassen von Magnetoresistoren. Eine Klasse dieser Geräte, die als Magnetodioden bekannt sind, wirkt auf der Basis der selektiven Rekombination von Elektronen und Löchern. Die andere Klasse wirkt über die Ablenkung der Strompfade in einem rechteckigen oder kreisförmigen Widerstand. Die Leistungsfähigkeit der ersten Klasse der Geräte hängt stark von der Elektronen-Loch-Rekombinationsrate ab und die Leistungsfähigkeit der zweiten Klasse von Geräten hängt von den Trägermobilitäten ab. Sowohl die Elektron-Loch-Rekombinationsrate als auch die Trägermobilitäten sind temperaturabhängige Größen. So weisen zum heutigen Tag die meisten Feldsensoren, die diesen Magentoresistoren verwenden, große Temperaturkoeffizienten auf. In der Automobilindustrie, wo es breite Variationen bezüglich der Temperatur gibt, welcher diese Sensoren unterworfen sind, wäre es wünschenswert, einen Magnetoresistor zu besitzen, welcher nicht nur eine große Variation bezüglich des Widerstandswertes aufweist, sondern auch einen niedrigen Temperaturkoeffizienten hat.
• Ein Magnetoresistor gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Merkmale gekennzeichnet, die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 spezifiziert sind.
• Die vorliegende Erfindung ist auf einen Dünnfilmmagnetoresistor gerichtet, in welchem der Pfad des Widerstandsmaterials derart ist, daß, wenn das Gerät einem Magnetfeld unterworfen ist, Elektronen in im wesentlichen einem kreisförmigen Pfad fließen, um so den Widerstandswert des Gerätes zu erhöhen. Insbesondere umfaßt der Magnetorresistor einen dünnen Film eines degenerativ-dotierten Halbleitermaterials mit einem Paar von leitenden Kontakten an entgegengesetzten Enden des Films. Der Film liegt in der Form einer Reihe von Pfaden vor, welche sich zumindest partiell in einem im wesentlichen kreisförmigen Muster erstrecken. So fließen bei einem senkrecht zu dem Film angelegten Magnetfeld Elektronen zwischen den Kontakten in einem im wesentlichen kreisförmigen Muster und erhöhen dadurch den Widerstandswert zwischen den Kontakten.
• Die Erfindung und wie sie durchgeführt werden kann werden im nachfolgenden insbesondere mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Magnetoresistors ist, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt ist; und
• Figur 2 eine Draufsicht eines anderen Magnetoresistors in Übereinstimmung mit der Erfindung ist.
• Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht.
• Bezugnehmend auf Figur 1 ist dort eine perspektivische Ansicht eines Magnetoresistors 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Magnetoresistor 10 umfaßt ein Substrat 12 aus einem isolierenden Material wie Eisen-dotiertem Galliumarsenid mit einem dünnen Film 14 eines degenerativ-dotierten Halbleitermaterials wie Indiumarsenid oder Indiumantimonid auf einer Oberfläche 16 davon. Der Halbleiterfilm 14, welcher die aktive Schicht des Magnetoresistors ist, hat eine Dicke von nicht größer als ungefähr 5 Mikrometer und vorzugsweise eine Dicke nicht größer als ungefähr 3 Mikrometer. Der Halbleiterfilm 14 ist im wesentlichen rechteckig und getrennte leitende Kontakte 18 und 20 liegen auf der Substratoberfläche 16 bei entgegengesetzten Rändern des Halbleiterfilms 14. Die Kontakte 18 und 20 befinden sich in Ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterfilm 14.
• Der Halbleiterfilm 14 weist eine Vielzahl von Öffnungen 22 dorthindurch in der Form von kreisförmigen Löchern auf, welche in beabstandeten parallelen Reihen angeordnet sind, die sich über den Film 14 parallel zu den Kontakten 18 und 20 erstrecken. Die Löcher 22 in alternierenden Reihen sind zwischen den Löchern 22 in benachbarten Reihen angeordnet. Dies bildet den Film 14 zu einer Vielzahl von beabstandeten Wegen 24, welche sich über den Film 14 parallel zu den Kontakten 18 und 20 erstrecken, und einer Vielzahl von beabstandeten Wegen 26, welche sich zwischen den Pfaden 24 im wesentlichen senkrecht zu den Kontakten 18 und 20 erstrecken. Die Beabstandung zwischen den Löchern 22, d.h. die Breite der Wege 24 und 26 sollten nicht größer als der mittlere freie Weg, d.h. die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Halbleiterfilm 14 sein. Die Löcher 22 sollten einen Radius derart aufweisen, daß der Perimeter (Umfang) des Loches nicht größer als der mittlere freie Weg der Elektronen in dem Halbleitermaterial von Film 14 ist. Zum Beispiel beträgt in Galliumarsenid oder Indiumarsenid bei Raumtemperatur der mittlere freie Weg ungefähr 300 Nanometer (3000 Angström).
• In der Gegenwart eines Magnetfeldes, das längs einer Achse senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiterfilms 14 angelegt wird, wird die Trajectorie in der Ebene der Elektronen durch den Halbleiterfilm 14 und längs der Wege 24 und 26 gemäß des Lorentz-Kraftgesetzes abgelenkt, um einen Bogen oder Kreis in der Ebene des Halbleiterfilms 14 zu bilden, wobei der Radius des Kreises, RH, der Zyklotronradius ist:
• RH = mv/eB,
• wobei m die effektive Masse des Elektrons repräsentiert, v seine Gesamtgeschwindigkeit darstellt, e die elementare Elektronenladung ist und B das angelegte Magnetfeld repräsentiert. Wenn das Magnetfeld B derart ist, daß der Radius R von jedem Loch 22 dem Zyklotronradius RH gleicht, wirkt jedes Loch 22 als ein kleines Zyklotron und Elektronen fließen längs der Wege 24 und 26 um die Löcher 22 wie durch die Pfeile 28 angedeutet. Die Elektronen fließen so, bis sie entweder rekombinieren oder streuen. Dies hat eine Erhöhung des Widerstandswertes des Magnetoresistors 10 zur Folge. Das Feld, bei welchem dies auftritt, ist nur eine Funktion der Geometrie. Dem ist so, weil die effektive Elektronenmasse, und ihre Fermi-Geschwindigkeit Parameter sind, welche in degenerierten Halbleitern ziemlich temperaturunabhängig sind. So weist der Magnetoresistor 10 einen hohen Widerstandswert und einen niedrigen Temperaturkoeffizienten auf.
• Bezugnehmend auf Figur 2 ist eine Draufsicht eines anderen Magnetoresistors 30 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Magnetoresistor 30 umfaßt einen dünnen Film 32 aus degeneriertem Halbleitermaterial auf der Oberfläche eines isolierenden Substrates 34 und leitende Kontakte 36 und 38 auf dem Substrat an entgegengesetzten Enden des Halbleiterfilms 32. Der Halbleiterfilm 32 umfaßt eine Vielzahl von beabstandeten parallelen ersten Wegen 40, die sich Parallel zu den Kontakten 36 und 38 erstrecken, und eine Vielzahl von beabstandeten zweiten Pfaden 42, die sich zwischen den ersten Pfaden 40 im wesentlichen senkrecht zu den Kontakten 36 und 38 erstrecken. Die zweiten Pfade 42 zwischen zwei benachbarten ersten Pfaden 40 sind nicht mit den zweiten Pfaden 42 zwischen den nächsten benachbarten Paaren von ersten Pfaden 40 ausgerichtet, um so Öffnungen 43 zu bilden, welche in einem im wesentlichen hin- und herspringenden Mauerwerkmuster angeordnet sind. Die Beabstandung N zwischen benachbarten ersten Pfaden 40 ist nicht größer als ein Drittel des mittleren freien Weges der Elektronen in dem Halbleiterfilm 32 und ist vorzugsweise kleiner als ein Drittel der mittleren freie Weglänge. Die Beabstandung 2N zwischen benachbarten zweiten Wegen 42 ist ungefähr zweimal die Beabstandung zwischen benachbarten ersten Wegen 40. Die Dicke der Pfade 40 und 42 beträgt ungefähr 2/5N.
• Im Betrieb des Magnetoresistors 30 veranlaßt eine Spannung, die zwischen den Kontakten 36 und 38 angelegt wird, einen Stromfluß längs der Wege 40 und 42. Wenn ein Magnetfeld senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiterfilms 32 angelegt wird, und zwar bei jedem Schnittpunkt eines ersten Weges 40 und eines zweiten Weges 42, werden die Ladungsträger vorzugsweise in eine Richtung in einem im wesentlichen kreisförmigen Pfad um eine Ecke oder Öffnung 43 durch die Lorentzkraft wie durch die Pfeile 44 angedeutet abgelenkt. Dies blockiert den Fluß der Elektronen längs des Halbleiterfilms 32, um so eine Erhöhung des Widerstandswertes zu erreichen. So hat das Magnetfeld, das an den Magnetoresistor 30 angelegt wird, eine Erhöhung des Magnetorwiderstandswertes zur Folge. Aus den Gründen, die mit Bezug auf den Magnetoresistor 10 angegeben wurden, weist der Magnetoresistor 30 auch einen niedrigen Temperaturkoeffizienten auf.
• Die Magnetoresistoren 10 und 30 können hergestellt werden, indem ein Film des halbleitenden Materials auf der Oberfläche eines Substrates abgeschieden wird, wobei irgendein für das spezielle verwendete Material geeignetes chemisches Dampfdepositionsverfahren verwendet wird. Metallkontakte werden dann auf der Substratoberfläche auf den Enden des Halbleiterfilms entweder durch Verdampfung in einem Vakuum oder durch Sputtern abgeschieden. Die Löcher 22 in dem Halbleiterfilm des Magnetoresistors 10 und die Öffnungen zwischen den Pfaden 40 und 42 in dem Halbleiterfilm des Magnetoresistors 30 werden durch Elektronenstrahllithographie gebildet.
• So wird durch die vorliegende Erfindung ein Magnetoresistor geschaffen, in welchem die Pfade des Halbleiterfilms so entworfen sind, daß, wenn ein Magnetfeld an den Halbleiterfilm angelegt wird, die Elektronen in einem kreisförmigen Weg fließen werden und dadurch den Widerstandswert des Magnetoresistors erhöhen. Die Faktoren, welchen diesen Anstieg bezüglich des Widerstandswertes bewirken, sind temperaturunabhängig, so daß der Temperaturkoeffizient des Magnetoresistors niedrig ist.

Claims (5)

1. Ein Magnetoresistor (10; 30) mit: einem dünnen Film (14; 32) eines Halbleitermaterials und einem Paar von leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) an entgegengesetzten Enden des Films (14; 32), wobei der Film Öffnungen (22; 43) aufweist, die dort hindurch derart gebildet sind, daß, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu dem Halbleiterfilm (14; 32) angelegt wird, der elektrische Widerstandswert zwischen den leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) zunimmt, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitermaterial ein degenerativ dotiertes Halbleitermaterial ist, welches von einer Dicke nicht größer als 5 Mikrometer ist und welches eine gegebene mittlere freie Weglänge von Elektronen in dem dünnen Film (14; 32) vorsieht; die Öffnungen (22; 43) in dem Halbleiterfilm (14; 32) parallele Reihen von gleichförmig gestalteten Öffnungen (22; 43) darin bilden, wobei die Öffnungen Abmessungen aufweisen, die klein genug sind, um einen Öffnungsumfang zu schaffen, der nicht größer als die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Halbleiterfilm (14; 32) ist; die Öffnungen (22; 43) voneinander um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist, der nicht größer als die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Halbleiterfilm (14; 32) sind; die Reihen der Öffnungen (22; 43) lateral beabstandete Pfade (26; 42) in dem Halbleiterfilm (14; 32) vorsehen, welche im wesentlichen senkrecht zu den leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) liegen; die Reihen der Öffnungen (22; 43) longitudinal beabstandete Wege (24; 40) in dem halbleitenden Film (14; 32) vorsehen, welche im wesentlichen parallel zu den leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) liegen; die beabstandeten Pfade jede eine Breite nicht größer die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Halbleiterfilm (14; 32) aufweisen; und die parallelen und senkrechten Pfade (24, 26; 40, 42) sich miteinander an Orten benachbart den Öffnungen (22; 43) schneiden, um im wesentlichen ringförmige Wege um die Öffnungen (22; 43) derart zu schaffen, daß, wenn das Magnetfeld senkrecht zu dem Halbleiterfilm (14; 32) angelegt wird, Elektronen, die durch den Halbleiterfilm (14; 32) zwischen den leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) fließen, dazu veranlaßt werden, in im wesentlichen ringförmigen Wegen (28; 44) um zumindest einige der Öffnungen (22; 43) zu fließen, um dadurch den elektrischen Widerstandswert zwischen den leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) zu erhöhen.

2. Ein Magnetoresistor (10; 30) nach Anspruch 1, in welchem die Öffnungen (22; 43) in Reihen im wesentlichen parallel zu den leitenden Kontakten (18, 20; 36, 38) angeordnet sind, wobei die Öffnungen (22; 43) in jeder Reihe lateral von den Öffnungen (22; 43) in den benachbarten Reihen versetzt und dazwischen beabstandet sind.

3. Ein Magnetoresistor (10) nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Öffnungen kreisförmige Löcher (22) sind.

4. Ein Magnetoresistor (30) nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Öffnungen (43) viereckig in der Form sind, wobei jede viereckige Öffnung (43) ein Ausmaß N in der Richtung senkrecht zu den Kontakten (36, 38) aufweist, das nicht größer als ein Drittel der mittleren freien Weglänge der Elektronen durch den Film (32) ist, und eine Ausdehnung parallel zu den Kontakten (36, 38) aufweist, welche 2N äquivalent ist.

5. Ein Magnetoresistor (30) nach Anspruch 4, in welchem die Wege (40, 42) des Films (32) beabstandete parallele erste Teile (40), die sich parallel zu den Kontakten (36, 38) erstrecken, und beabstandete parallele zweite Teile (42) aufweisen, die sich zwischen dem ersten Teil (40) erstrecken, um die rechteckigen Öffnungen (43) zu bilden.