DE69107647T2 - Magneto-elektrischer Übertrager und Verfahren zu seiner Herstellung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft magnetoelektrische Wandler und Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Wandler, der als magnetoempfindlichen Abschnitt einen dünnen InAs-Film (InAs-Dünnfilm) mit einem Widerstandswert aufweist, der eine sehr kleine Temperaturabhängigkeit zeigt, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
• Herkömmliche Verfahrensweisen zur Herstellung von InAs-umfassenden Hall-Elementen schließen verschiedene Verfahrensweisen ein. Das erste Verfahren schließt beispielsweise die Schritte der Herstellung eines Einkristalls aus InAs, das Schneiden des Kristalls in Scheiben und Polieren unter Erhalt eines dünnen Materials und das Herstellen eines InAs- umfassenden Hall-Elements unter Verwendung des dünnen Materials ein. Das zweite Verfahren schließt die Schritte des Abscheidens eines polykristallinen dünnen Films aus InAs auf einem Substrat aus Glimmer, das Abschälen des Films von dem Substrat, das Aufbringen des Substrats unter Verbinden auf ein aus Materialien wie beispielsweise ein aus Ferrit hergestelltes Substrat und das Herstellen eines InAs-umfassenden Hall-Elements unter Verwendung des polykristallinen dünnen Films aus InAs ein.
• Das dritte Verfahren bedient sich eines dünnen InAs-Films, den man hat auf einem GaAs- Substrat aufwachsen lassen, zur Herstellung eines InAs-umfassenden Hall-Elements.
• Jedoch ist es gemäß dem ersten Verfahren schwierig, einen dünnen InAs-Film mit konstanter Dicke im industriellen Maßstab herzustellen. Insbesondere ist es sehr schwierig, den dünnen InAs-Film mit einer Dicke von 1 um oder weniger herzustellen. So wird die Forderung nach einer Produktion im großen Maßstab nicht erfüllt. Mit dem zweiten Verfahren kann ein dünner InAs-Film in konstanter Dicke bereitgestellt werden, jedoch schließt dies die Bildung einer Isolierschicht aus einer organischen Substanz, wie beispielsweise einem Haftstoff zwischen dem dünnen Film und dem Ferrit-Substrat, ein. Die Schicht einer organischen Substanz als Kleber ist kein geeignetes Material für ein InAs- Hall-Element, das bei hohen Temperaturen, die 100º C übersteigen, betrieben wird, und zwar wegen der Instabilität der organischen Substanzen bei hohen Temperaturen. Daher ist das stabile Betreiben dieses Hall-Elements bei hohen, 100º C überschreitenden Temperaturen unmöglich. Das durch das dritte Verfahren hergestellte Hall-Element, das die organische Schicht zwischen dem dünnen InAs-Film und dem GaAs-Substrat nicht einschließt, kann selbst bei hohen, beispielsweise 100º C überschreitenden Temperaturen betrieben werden. Jedoch ist bekannt, daß aufgrund der Tatsache, daß der dünne Film aus InAs und das Substrat aus GaAs voneinander verschiedene Materialen sind, der Einkristall aus InAs in der Nähe der Grenzfläche mit dem GaAs-Substrat viele Gitterdefekte aufgrund einer Gitterfehlordnung mit dem GaAs-Substrat aufweist. Ein Kristallgitter aus InAs in der Nahe der Grenzfläche zu dem GaAs-Substrat ist in gewissem Umfang desorganisiert. Folglich wurde dann, wenn der dünne InAs-Film als Hall-Element verwendet wurde, eine große Temperaturabhängigkeit des Widerstands beobachtet. Es besteht die charakteristische Beziehung, daß der Widerstandswert bei einer Temperatur oberhalb von 60º C sinkt. Wenn also das von dem dünnen InAs-Film Gebrauch machende Hall-Element bei Temperaturen, die 100º C überschreiten, unter konstanter Spannung verwendet wird, erzeugt es Hitze aufgrund des oben beschriebenen Sinkens des Widerstands bei Steigen der Temperatur des Hall-Elements. Da diese Wärmeerzeugung einen Temperaturanstieg des Hall- Elements hervorruft, wird in dem Hall-Element das Feedback-Phänomen beschleunigt. Dies ruft ein Versagen des Eigenbruch-Typs (self-breaking-typ) von Hall-Elementen bei Betrieb mit konstanter Spannung herbei. Dies ist ein ernstzunehmender Nachteil beim Betrieb von Hall-Elementen. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist es erforderlich, den Temperaturkoeffizienten des Widerstands zu ändern, der bei 100º C oder höher negativ bis nahezu 0 oder positiv ist.
• Allgemein ist es möglich, die temperaturabhängige Änderung des Widerstands des InAs- Dünnfilms durch Erhöhung der Elektronenkonzentration zu verringern. Im Fall eines InAs-Dünnfilms hängen dessen Schichtwiderstands-Werte, die ihn für eine Verwendung in einem Hall-Element geeignet machen, von dem Konstruktionsbedingungen und den Eingangsspannungs-Werten ab, unter denen Hall-Elemente betrieben werden. Daher wird ein unterer Grenzwert des Schichtswiderstands bestimmt, und dieser Wert beschränkt und bestimmt den entsprechenden oberen Grenzwert der Elektronenkonzentration. Im Rahmen dieser Beschränkung kann eine Verringerung der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands des InAs-Hall-Elements oder des InAs-Dünnfilms im Bereich von Raumtemperatur bis in die Nähe von 100º C durch bloße Erhöhung der Elektronenkonzentrafion erwartet werden. Jedoch ist es unmöglich, die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands durch Erhöhung der Elektronenkonzentration im Bereich von Temperaturen oberhalb von 100º C zu verringern, da die Temperaturabhängigkeit der Elektronenbeweglichkeit die Temperaturabhängigkeit des Widerstands bei 100º C überschreitenden hohen Temperaturen dominiert. Demzufolge wurde bisher keine Verfahrensweise gefunden, die eine Verringerung der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands eines InAs Dünnfilms mit einer Dicke von 1,4 um oder weniger bei 100º C oder höher bewirken kann. Mit anderen Worten. Es ist technisches Neuland, temperaturabhängige Änderungen bei 100º C oder höher zu verringern. Die Verringerung der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands eines InAs-Dünnfilms mit einer Dicke von 1,4 um oder weniger ist wichtig zur Herstellung praktisch wertvoller Hall-Elemente, da ein auf einem Substrat gebildeter InAs-Dünnfilm mit einer derart geringen Dicke eine andere Temperaturabhängigkeit der Elektronenbeweglichkeit aufweist als ein InAs-Einkristall in der Masse und das Verhalten derartiger temperaturabhängiger Änderungen wurde bisher noch nicht verstanden.
• Bei der Herstellung praktisch verwendbarer Hall-Elemente ergab der Versuch, Hall- Element-Chips geringer Größe (0,4 mm² oder kleiner) im Hinblick auf Eignung bei der Anwendung und auf Kostenerfordernisse herzustellen, die Erzeugung von Hitze durch Verbrauch elektrischer Energie, die Konzentrierung von Hitze auf einem Hall-Element- Chip geringer Größe tind ein Ansteigen der Chip-Temperatur. In der Folge führt der Anstieg der Chip-Temperatur zu einem Ausfall durch Eigenbruch (self-breaking typ fallure). Daher ist es erforderlich, die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands zu verringern, und man hofft, dahin zu kommen, daß der Widerstand bei steigender Temperatur nicht weiter sinkt. Diese Technologie konnte jedoch bisher noch nicht zur Verfügung gestellt werden.
• Der oben wiedergegebene Stand der Technik ergibt sich aus den folgenden Dokumenten: "H. Weiss; Structure and Application of Galvano magnetic Device; Pergamon Press (1969)" and "I Shibasaki; High Sensitive Hall Element by Vacuum Deposition; Technical Digest of the 8th Sensor Symposium (1991), S. 211 bis 214".
• Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu lösen und einen magnetoelektrischen Wandler, der bei einer Temperatur von 100 ºC oder höher bis zu einer Temperatur in der Nähe von 150 ºC verwendet werden kann, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
• Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetoelektrische Wandler-Vorrichtung unter Verwendung eines derartigen magnetoelektrischen Wandlers zu schaffen.
• Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetischen Schalter zu schaffen, der sich eines derartigen magnetoelektrischen Wandlers bedient.
• Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein InAs-Hall-Element bereitzustellen das als magnetoempfindlichen Abschnitt einen InAs-Dünnfilm einer Dicke von 1,4 um oder weniger einsetzt und die charakteristische Eigenschaft aufweist, daß der Widerstand nicht mit einem Anstieg der Temperatur sinkt, und dar eine Struktur aufweist, in der die Elektronenbeweglichkeit in Richtung der Dicke schwankt.
• Die vorstehend genannten und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung können wirksam durch Bereitstellung eines magnetoelektrischen Wandlers gelöst werden, der umfaßt: ein isolierendes Substrat; und einen auf dem isolierenden Substrat als magnetoempfindlicher Abschnitt gebildeter InAs-Dünnfilm, worin der InAs-Dünnfilm durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wird und zwei im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit voneinander verschiedene Schichten aufweist, wobei die Schichten eine Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit einschließen, wobei die Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator dotiert ist.
• Im Rahmen der Erfindung kann der Donator bzw. die Donatorverunreinigung wenigstens ein Element sein, das gewählt ist aus der aus Si, S, Ge, Se und Sn bestehenden Gruppe.
• Der magnetoeiektrische Wandler kann außerdem einen Körper aus einem ferromagnetischen Material einschließen, das auf der Oberseite des magnetoempfindiichen Abschnitts und/oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist. Der magnetoelektrische Wandler kann ein Hall-Element sein.
• Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine magnetoelektrische Wandler-Vorrichtung geschaffen, die umfaßt: einen magnetoelektrischen Wandler, der ein isolierendes Substrat und ein auf dem isolierenden Substrat als magnetoempfindlicher Abschnitt gebildeten InAs-Dünnfilm einschließt, wobei der InAs-Dünnfilm durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wurde und zwei im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit untcrschiedliche Schichten aufweist, wobei die Schichten eine Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit einschließen, wobei die Schicht mit höherer Elektronenbeweg- lichkeit mit einem Donator dotiert ist; und ein Schaltungselement, das elektrisch mit dem magnetoelektrischen Wandler verbunden ist, wobei der magnetoelektrische Wandler und das Schaltungselement in demselben Gehäuse gebildet sind.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die magnetoelektrische Wandler-Vorrichtung außerdem einen Körper aus ferromagnetischem Material einschließen, der auf der Oberseite des magnetoempfindlichen Abschnitts und/oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist.
• Der magnetoelektrische Wandler kann ein Hall-Element sein.
• Der Donator bzw. die Donatorveninreinigung kann wenigstens ein Element sein, das gewählt ist aus der aus Si, S, Ge, Se und Sn bestehenden Gruppe.
• Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetschalter bereitgestellt, der umfaßt: einen magnetoelektrischen Wandler, der einschließt: ein isolierendes Substrat und einen auf dem isolierenden Substrat als magnetoempfindlichen Abschnitt gebildeten InAs-Dünnfilm, worin der InAs-Dünnfilm durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wird und zwei im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit unterschiedliche Schichten aufweist, wobei die Schichten eine Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit einschließen und die Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator dotiert ist; und eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds zum Betreiben des magnetoelektrischen Wandlers.
• Im Zusammenhang mit dieser Ausfiihrungsförm kann die magnetoelektrische Wandler- Vorrichtung außerdem einen Körper aus einem ferromagnetischen Material einschließen, der auf der Oberseite des magnetoempfindlichen Bereichs und/oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist.
• Der Donator bzw. die Donatorverunreinigung kann wenigstens ein Element sein, das gewählt ist aus der aus Si, S, Ge, Se und Sn bestehenden Gruppe.
• Der magnetoelektrische Wandler kann ein Hall-Element sein.
• Die oben genannten und weitere Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteiie der vorliegenden Erfindung werden noch offensichtlicher aus der foigenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, zusammengenommen mit den beigefügten Figuren.
• Figur 1 A ist eine Ansicht von oben, die ein Hall-Element (Chip) zeigt, der als magnetoempfindlichen Bereich einen InAs-Dünnfilm mit einer Zwei-Schichten-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
• Figur 1B ist eine Ansicht im Querschnitt, die das in Figur 1A gezeigte Hall-Element (Chip) zeigt.
• Figur 2A ist eine Ansicht von oben, die ein Hall-Element gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, worin das in den Figuren 1A und 1B gezeigte Hall-Element (Chip) auf einem Inselbereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und betriebsfertig verkapselt.
• Figur 2B ist eine Ansicht im Querschnitt, die das in Figur 2A gezeigte Hall-Element zeigt.
• Figur 3 ist eine Ansicht im Querschnitt, die einen InAs-Dünnfilm mit einer Zwei-Schichten-Struktur mit unterschiedlichen Elektronenbeweglichkeiten zeigt, d.h. einen Bereich 21 (Schicht A) mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit, der näher zu der Grenzfläche mit dem Substrat liegt, und einen Bereich 22 (Schicht B) mit höherer Elektronenbeweglichkeit, der weiter entfernt von der Grenzfläche mit dem Substrat liegt.
• Figur 4 ist eine Grafik, die die Temperaturabhängigkeit der EIektronenbeweglichkeit der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten InAs-Dünnfilme veranschaulicht.
• Figur 5 ist eine Grafik, die die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten InAs-Dünnfilme veranschaulicht.
• Figur 6 ist eine Grafik, die die Temperaturabhängigkeit des Eingangswiderstands der InAs-Hall-Elemente der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
• Figur 7A ist eine Ansicht von oben, die ein HaII-Element (Chip) gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem das ferromagnetische Material auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist.
• Figur 7B ist eine Ansicht im Querschnitt, die das in Figur 7A gezeigte Hall-Element (Chip) zeigt.
• Figur 8 ist eine Ansicht im Querschiiitt, die ein Hall-Element der vorliegenden Erfindung zeigt in dem das in den Figuren 7A und 7B gezeigte Hall-Element (Chip) auf einem Inselbereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und betriebsfertig verkapselt.
• Figur 9 ist eine Ansicht im Querschnitt, die ein Hall-Element der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem das Hall-Element (Chip), das mit einem Körper aus einem ferromagnetischen Material sowohl auf der Unterseite des Substrats als auch auf der Oberseite des InAs-Dünnfilms versehen ist, auf einem Insel-Bereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und betriebsfertig verkapselt.
• Figur 10 ist eine Ansicht im Querschnitt, die ein Hall-Element der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem das Hall-Element (Chip), das mit einem Cluster aus Harz, das ein Pulver aus einem ferromagnefischen Material enthält, anstelle eines Körpers aus einem ferromagnetischen Material auf der Oberseite des InAs-Dünnfilms versehen ist, wie er in Figur 9 gezeigt ist, auf einem Inselbereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und betriebsfertig verkapselt.
• Figur 11 ist eine Ansicht im Querschnitt, die ein Hall-Element gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem das Hall-Element (Chip), das mit einem Körper aus einem ferromagnetischen Material auf der Oberseite des InAs-Dünnfilms versehen ist, auf einem Inselbereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und betriebsfertig verkapselt.
• Figur 12A ist eine Ansicht von oben, die eine magnetoelektrische Wandler-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, in der das Hall-Element und das Schaltungselement in demselben Gehäuse gebildet sind.
• Figur 12B ist eine Ansicht im Querschnitt, die die in Figur 12A gezeigte Vorrichtung zeigt.
• Figur 13 ist ein schematisches Diagramm, das einen Magnetschalter zeigt, der eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds zur Erzeugung einer Hall-Ausgangsspannung des InAs-Hall-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
• Figur 14 ist eine Grafik, die die Temperaturabhängigkeit der Hall-Ausgangsspannung des InAs-Hall-Elements der vorliegenden Erfindung bei Betrieb unter konstanter Spannung veranschaulicht.
• Figur 15 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit der Temperatur von der Hall-Ausgangsspannung des InAs-Hall-Elements der vorliegenden Erfindung bei Betrieb unter konstantem Strom zeigt.
• Figur 16 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit des Magnetfelds von der Hall-Ausgangsspannung (VH-B-Charakteristik) des InAs-Hall-Elements der vorliegenden Erfindung bei Betrieb unter konstanter Spannung veranschaulicht.
• Figur 17 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit des Magnetfelds von der Hall-Ausgangsspannung (VH-B-Charakteristik) des InAs-Hall-Elements der vorliegenden Erfindung bei Betrieb unter konstantem Strom veran schaulicht.
• Figur 18 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit der Temperatur vom Eingangswiderstands des InAs-Hall-Elements veranschaulicht, das gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Körper aus einem ferromagnetischen Material versehen ist.
• Figur 19 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit der Temperatur von der Hall-Ausgangsspannung des InAs-Hall-Elements bei Betrieb unter konstanter Spannung veranschaulicht, das mit einem Körper aus einem ferromagnetischen Material gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.
• Figur 20 ist eine Grafik, die die Abhängigkeit der Temperatur von der Hall-Ausgangsspannung des InAs-Hall-Elements bei Betrieb unter konstantem Strom veranschaulicht, das gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem ferromagnetischen Material versehen ist.
• Es folgt nun eine Erläuterung der experimentellen Verfahrensweisen, die zu der vorliegenden Erfindung geführt haben.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nämlich das Phänomen des Elektronentransports in bezug auf einen InAs-Dünnfilm analysiert, der auf einem Substrat durch epitaxiales Wachstum gebildet wurde, und es wurde versucht, die charakteristischen Eigenschaften des InAs-Dünnfilms durch Eindotieren von Donator-Atomen in den Film zu verbessern. Außerdem wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter Beriicksichtigung des Phänomens, daß das Gitter der InAs-Schicht in einem Abschnitt nahe der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der InAs-Schicht aufgrund einer Gitter-Fehlordnung an der Grenzfläche fehlgeordnet ist, die Struktur eines Wandlers untersucht, bei dem der Beitrag des hinsichtlich des Gitters fehlgeordneten Abschnitts zur elektrischen Leitung minimiert werden kann.
• Tatsächlich wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung versucht, einen InAs-Dünnfilm mit einer Dicke von 1 ,4 um oder weniger, der auf einem GaAs-Substrat gewachsen war, mit Si zu dotieren, das als Donator für InAs wirkt. Als Ergebnis wurde das Phänomen gefunden, daß die Konzentration an Elektronen in dem InAs-Dünnfilm in dem Maße steigt, wie die Menge an dotiertem Si steigt. Dies ist aus Tabelle 1 ersichtlich, in der die Menge an dotiertem Si mit der Niimmer der Probe steigt. Es wurde außerdem das Phänomen gefunden, daß die Elektronenbeweglichkeit ebenfalls mit einem Anstieg der Elektronenkonzentration steigt, trotz der Tatsache, daß die Bedingungen des Kristallwachstums dieselben sind. Figur 4 ist eine Grafik, die die Temperaturabhängigkeit der Elektronenbeweglichkeit in dem InAs-Dünnfilm der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und mit einem undotierten Film vergleicht. Es wurde ein großer Unterschied der Temperaturabhängigkeit eines mit Si dotierten InAs-Dünnfilms von derjenigen eines undotierten Films beobachtet. Tabelle 1 Beziehung zwischen der Elektronenkonzentration und der Elektronenbeweglichkeit Probe Nr. Elektronenkonzentration* (x 10¹&sup6; cm&supmin;³) Elektronenbeweglichkeit (cm²/Vs) (undotiert) (mit Si dotiert) Anmerkung Filmdicke: 0,4 um; Die Menge an Si als Dotierung steigt mit der Nummer der Probe *: Die Elektronenkonzentration wurde erhalten durch Hall-Messung.
• Außerdem wurden mit dem Ziel, die Phänomene noch genauer zu studieren, Experimente durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Position des als Dotierung eingebrachten Si in InAs-Dünnfllme, wie sie in Tabelle 2 angegeben ist, und der Elektronenbeweglichkeit in den Filmen zu untersuchen. Wie deutlich aus Tabelle 2 ersichtlich ist, zeigt der InAs- Dünnfilm Nr 4, in dem der Bereich in der Nähe der Oberfläche mit Si dotiert ist, eine hohe Elektronenbeweglichkeit. Dementsprechend wird gefunden, daß die Elektronenbeweglichkeit des InAs-Dünnfilms durch Si-Dotierung erhöht wird. Wenn andererseits ein InAs-Dünnfilm (Film Nr. 2) in der Nähe seiner Grenzfläche mit dem Substrat mit Si dotiert wird, wird kein Anstieg der Elektronenbeweglichkeit beobachtet. Wenn außerdem der gesamte InAs-Dünnfilm (Film Nr. 3) einheitlich mit Si dotiert wird, tritt eine starke Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit ein. Daraus wird gefunden, daß es eine große Schwankungsbreite der Elektronenbeweglichkeit in Richtung der Dicke des InAs-Dünnfilms gibt.
• Mit anderen Worten: Eine Dotierung mit Si in einem Bereich nahe der Grenzfläche mit dem Substrat führt zu einer geringen Änderung der Elektronenbeweglichkeit, während eine Si-Dotierung in einem Bereich, der von der Grenzfläche mit dem Substrat entfernt ist, einen hohen Anstieg der Elektronenbeweglichkeit hervorruft. Folglich kann vermutet werden, daß der InAs-Dünnfilm eine Zwei-Schichten-Struktur aufweist, die eine Schicht, die von der Grenzfläche mit dem Substrat entfernt ist und die eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, und eine andere Schicht aufweist, die in der Nähe der Grenzfläche mit dem Substrat und dieser benachbart liegt und die eine niedrige Elektronenbeweglichkeit aufweist. Tabelle 2 Beziehung zwischen der Position der Si-Dotierung und der Elektronenbeweglichkeit in einem inAs-Dünnfilm Probe Nr. Position der Si-Dotierung Elektronenbeweglichkeit (cm²/Vs) undotiert Grenzfläche mit dem Substrat Dünnfilm Oberfläche
• Anmerkung: Filmdicke: 0,4 um; Dotierung: Si
• Tabelle 3 zeigt außerdem die Beziehung zwischen der Dicke des mit Si dotierten InAs- Dünnfilms und seiner Elektronenbeweglichkeit. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die Elektronenbewegiichkeit in gleicher Richtung ansteigt in der die Filmdicke ansteigt. Insbesondere ändert sich die Elektronenbeweglichkeit drastisch zwischen 0,1 um und 0,2 um. In diesem Bereich ist der Grad der Änderung maximal, und die Elektronenbeweglichkeit zeigt einen abrupten Anstieg. Dien legt nahe, daß der InAs-Dünnfilm eine Struktur aufweist, in der die Elektronenbeweglichkeit in einem Abschnitt nahe der Grenzfläche mit dem Substrat niedrig ist, jedoch in einem von der Grenzfläche entfernt liegenden Abschnitt sehr hoch ist. Genauer gesagt ist die Schicht bis zu einer Entfernung von 0,1 um von der Grenzfläche eine Schicht mit einer niedrigen Elektronenbeweglichkeit, und die Schicht von einem Grenzbereich von 0,1 um zur Oberfläche ist eine Schicht mit sehr hoher Elektronenbeweglichkeit. So wird eine Zwei-Schicht-Struktur gebildet, wobei die Schichten Elektronenbeweglichkeiten aufweisen, die voneinander verschieden sind. Tabelle 3 Beziehung zwischen der Elektronenbeweglichkeit und der Filmdicke eines mit Si dotierten InAs-Dünnfilms Filmdicke (um) Elektronenbeweglichkeit (cm²/Vs)
• Um weiter im einzelnen durch ein umgekehrtes Verfahren die oben genannte Beziehung zwischen der Elektronenbeweglichkeit und der Filmdicke zu untersuchen, ließ man mit Si dotiertes InAs bis zu einer Dicke von 0,60 um auf einem GaAs-Substrat wachsen und maß die charakteristischen Eigenschaften. Anschließend wurde die InAs-Schicht nach und nach durch Ätzen dünner gemacht, und ihre charakteristischen Eigenschaften wurden nach jedem Verdünnungsschritt gemessen. Tabelle 4 zeigt die erzielten Ergebnisse.
• Die Ergebnisse in Tabelle 4 zeigen, daß die Elektronenbeweglichkeit von InAs nahe der Grenzfläche niedrig ist, während die Elektronenbeweglichkeit von InAs an einem von der Grenzfläche entfernten Punkt hoch ist. Hierdurch wurde also das Vorhandensein einer Zwei-Schichten-Struktur mit unterschiedlichen Elektronenbeweglichkeiten bestätigt. Wie sich außerdem aus Tabelle 4 ergibt, ist die Elektronenkonzentration selbst dann konstant, wenn die Fiimdicke verringert wird; die Schicht-Elektronenkonzentration verringert sich jedoch mit zurückgehender Filmdicke. Tabelle 4 Verteilung der Elektronenbeweglichkeit, Elektronenkonzentration und Schicht- Elektronenkonzentration in Richtung der Dicke bei Ätzen eines einheitlich mit Si dotierten InAs-Dünnfilms Filmdicke* (um) Elektronenbeweglichkeit (cm²/Vs) Elektronenkonzentration (x 10¹&sup6; cm&supmin;³) Schicht-Elektronenkonzentration (x 10¹² cm&supmin;²)
• Anmerkung: *: Die Filmdicke wurde aus der Ätzgeschwindigkeit berechnet.
• Tabelle 5 zeigt Ergebnisse einer Messung der Verteilung der charakteristischen Eigenschaften in Richtung der Dicke nach Ätzen eines undotierten InAs-Dünnfilms mit einer Dicke von 0,50 um; diese Daten sind ähnlich den Daten eines mit Si dotierten InAs- Dünnfilms gemäß Tabelle 4. Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß die Schicht-Elektronen- Konzentration nahezu konstant ist, selbst wenn die Filmdicke durch Ätzen verringert wird. Die Elektronenkonzentration erhöht sich jedoch, wenn die Filmdicke durch Ätzen verringert wird Diese Daten legen nahe, daß in undotierten InAs-Filmen die meisten Elektronen in der Schicht vorhanden sind, die näher zur Grenzfläche mit dem Substrat ist. Mit anderen Worten: In undotierten InAs-Dünnfilmen existieren zur elektrischen Leitung beitragende Träger nur in der Schicht mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit. In einer Schicht die von der Grenzfläche mit dem Substrat entfernt ist und eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, ist nahezu kein Träger vorhanden. Daher trägt diese Schicht nur vernachlässigbar wenig zur elektrischen Leitung bei. Tabelle 5 Verteilung der Elektronenbeweglichkeit, Elektronenkonzentration und Schicht- Elektronenkonzentration in Richtung der Dicke bei Ätzen eines undotierten InAs-DünnfilmsFilmdicke* (um) Elektronenbeweglichkeit (cm²/Vs) Elektronenkonzentration (x 10¹&sup6; cm&supmin;³) Schicht-Elektronenkonzentration (x 10¹² cm&supmin;²)
• Anmerkung: *: Die Filmdicke wurde aus der Ätzgeschwindigkeit berechnet.
• InAs-Dünnfilme haben eine Verteilung der Elektronenbeweglichkeit, die stark in Richtung der Dicke schwankt. Diese Verteilung bedeutet eine Zwei-Schichten-Struktur mit einem Bereich nahe der Grenzfläche mit dem Substrat, in dem die Elektronenbeweglichkeit niedrig ist (dieser Bereich wird als "Schicht A" bezeichnet) und einem Bereich, der von der Grenzfläche mit dem Substrat entfernt ist, in dem die Elektronenbeweglichkeit hoch ist (dieser Bereich wird als "Schicht B" bezeichnet). In lnAs-Dünnfilmen, in denen eine derartige Zwei-Schichten-Struktur vorliegt, sind die Werte der tatsächlich gemessenen Elektronenbeweglichkeit diejenigen Werte, die erhalten wurden durch Zusammensetzen der Ergebnisse der Schichten A und B. Tabelle 6 zeigt Werte der Elektronenbeweglichkeit des Bereichs mit hoher Elektronenbeweglichkeit (Schicht B), die erhalten wurden von den Werten, die gefunden wurden, wenn der Bereich mit niedriger Elektronenbeweglichkeit (Schicht A) eine Dicke von 0,1 um hat, gerechnet von der Grenzfläche, und eine Elektronenbewegiichkeit von 3.000 cm²/Vs hat, wobei angenommen wird, daß der andere von der Grenzfläche entfernte Bereich Schicht B ist. Aus den in Tabelle 6 gezeigten Ergebnissen zeigt sich, daß die Elektronenbeweglichkeit in der Schicht B viel höher ist als diejenige in der Schicht A. Tabelle 6 Elektronenbeweglichkeit des Bereichs hoher Elektronenbeweglichkeit (Schicht B), erhalten von gemessenen Werten an einem mit Si dotierten InAs-DünnfilmElektronenbeweglichkeit (cm²/Vs) Filmdicke (um) gemessen Schicht A (angenommen) (berechnet)
• Anmerkung *: Elektronenbeweglichkeit der Schicht B, wenn die Schicht A eine Filmdicke von 0,1 um hatte; eine Elektronenbeweglichkeit von 3.000 cm²/Vs wurde erhalten unter der Annahme, daß die Elektronenbeweglichkeit in jeder Schicht konstant war.
• In dem gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Zwei-Schichten-InAs-Dünnfilm hat sich die Zahl der Elektronen, die in der Schicht B vorhanden sind, in großem Umfang erhöht, verglichen mit einem undotierten InAs-Dünnfilm. Dies ist auf die Dotierung mit einem Donator in der Schicht B zurückzuführen. Dementsprechend tritt elektrische Leitung hauptsächlich in diese Schicht B auf. Im Ergebnis steigt die Elektronenbeweglichkeit des InAs-Dünnfilms, und die Temperaturabhängigkeit der Elektronenbeweglichkeit wird stark reduziert. Mit anderen Worten: In den Zwei-Schichten-InAs-Dünnfilmen trägt die Schicht B in größerem Umfang zum Hall-Effekt bei.
• Die temperaturabhängige Änderung der Elektronenbeweglichkeit in dem InAs-Dünnfilm der vorliegenden Erfindung, wie sie in Figur 4 veranschaulicht ist, ist gekoppelt mit einer Verbesserung der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands des InAs- Dünnfilms. Dies wird durch die folgenden Gleichungen erläutert.
• Wenn angenommen wird, daß der spezifische Widerstand des InAs-Dünnfilms ist, e die Elektronenladung ist, n die Elektronenkonzentration ist und uH die Hall-Beweglichkeit von Elektronen ist, dann kann aus der Beziehung 1/ = e nuH der Temperaturkoeffizient ß des spezifischen Widerstands ausgedrückt werden durch die folgende Formel:
• β = (1/ ) (d /dT)
• = -(1/n) (dn/dT) + (-1/uH) (duH/dT) (1)
• worin T für die Temperatur steht. Um den kleineren Wert der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands für jede Temperatur zu erhalten,
• d.h. β 0, müssen (1/n)(dn/dT) und (1/uH)(duH/dT) auf vernachlässigbare Werte reduziert werden. Bei einer bestimmten Temperatur könnte durch Erhöhung der Elektronenkonzentration n auf einer ausreichend großen Wert der Beitrag des ersten Terms in Gleichung (1) auf einen vernachlässigbar kleinen Wert reduziert werden, da der Wert des Terms dn/dT mit steigendem Wert von n nicht so stark schwankt. Mit anderen Worten: Wenn n groß genug ist, leistet dieser Term keinen Beitrag zur temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands. Diese Situation wird dann realisiert, wenn die Elektronenkonzentration n durch Dotieren mit einem Donator erhöht wird.
• In diesem Fall lautet die Beziehung:
• β = (1/ ) (d /dT)
• (-1/uH) (duH/dT) (2)
• worin angenommen wird, daß n groß genug ist. Es gilt also die Beziehung ß -ßuH. Mit anderen Worten: Die temperaturabhängige Änderung von β wird dominiert durch βuH. Jedoch wird - wie in Figur 4 gezeigt - die Elektronenbeweglichkeit des undotierten InAs-Dünnfilms allmählich größer, wenn die Temperatur über 60 ºC ansteigt. Daher ist βuH (oder die temperaturabhängige Änderung der Elektronenbeweglichkeit) nicht vernachlässigbar bei 100 ºC oder mehr übersteigenden hohen Temperaturen, wie in der Kurve für undotiertes Material in Figur 4 gezeigt ist. Um die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands zu verringern, ist es erforderlich, die temperaturabhängige Änderung zu verringern und der Elektronenbeweglichkeit bei hohen Temperaturen einen negativen Wert zu geben. Daher ist es erforderlich, daß die Beziehung βuH ≤ 0 gilt, um zu erreichen, daß die Beziehung β ≥ 0 gilt.
• Durch Dotieren des InAs-Dünnfilms mit einem Donator erhält man einen InAs-Dünnfilm mit Zwei-Schichten-Struktur, wie er in Figur 3 gezeigt ist. Dieser InAs-Dünnfilm zeigte einen negativen kleinen Wert für βuH. Infolge von Gleichung (2) verringerte sich der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands β zu einem Wert nahe 0 bei steigendem Wert n. Diese Bedingungen wurden in dem InAs-Dünnfilm mit Zwei-Schichten- Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in Figur 3 gezeigt ist, wobei Schicht B mit einem Donator dotiert ist, realisiert, wie dies in Figur 4 veranschaulicht ist.
• Figur 5 veranschaulicht die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands eines InAs-Dünnfilms. Figur 5 zeigt, daß ein Dotieren mit Si die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands in großem Umfang reduziert. Diese Wirkung wurde realisiert durch die Verbesserung der Temperaturcharakteristik der Elektronenbeweglichkeit, wie in Figur 4 veranschaulicht.
• Figur 5 zeigt auch, daß kein Unterschied in der Art der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands beobachtet wird, unabhängig von der Frage, ob eine Dotierung nur in dem Abschnitt mit hoher Elektronenbeweglichkeit erfolgte oder eine einheitliche Dotierung im Bereich des gesamten Dünnfilms erfolgte. Es wurde also gefunden, daß eine Dotierung unter Erhöhung der Zahl der Ladungsträger in dem Abschnitt hoher Elektronenbeweglichkeit des InAs-Dünnfilms zu einer merklichen Verringerung der temperaturabhängigen Änderung des spezifischen Widerstands führt.
• Da sich die temperaturabhängige Änderung der Elektronenbeweglichkeit bei 40 bis 150 ºC drastisch durch Dotieren mit einem Donator ändert, kann der Temperaturkoeffizient β des spezifischen Widerstands, der von der temperaturabhängigen Änderung der Elektronen konzen tration und der temperaturabhängigen Änderung der Elektronenbeweglichkeit in dem InAs-Dünnfilm abhängig ist, kleiner gemacht werden. Verglichen mit undotierten InAs-Dünnfilmen zeigen dotierte Dünnfilme eine verringerte temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands in Bereichen hoher Temperatur. Außerdem ist der spezifische Widerstand im wesentlichen konstant bis zu einer Temperatur von 150 ºC. Im Ergebnis wird der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands des InAs-Dünnfilms über einen weiten Temperattirbereich von niedriger Temperatur bis zu hoher Temperatur positiv oder nahezu 0 gemacht. Mit anderen Worten: erfolgreich war die temperaturabhängige Änderung des spezifischen Widerstands eines InAs-Dünnfilms mit einer Dicke von 1,4 um oder weniger im wesentlichen 0 oder ein vernachlässigbar kleiner Wert.
• Wie oben beschrieben, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein InAs-Dünnfilm mit einer Zwei-Schichten-Struktur hergestellt. Dafür wurde eine hohe Elektronenbeweglichkeit erreicht. Es wurde auch ein Hall-Element unter Verwendung dieses Dünnfilms hergestellt. Mit anderen Worten: Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde ein InAs- Dünnfilm mit einer Schicht A, die eine niedrige Elektronenbeweglichkeit aufweist, und einer Schicht B, die eine hohe Elektronenbeweglichkeit und eine hohe Elektronenkonzentration aufweist, durch Dotieren hergestellt. Außerdem wurde auch ein Hall-Element unter Verwendung des so erhaltenen InAs-Dünnfilm s hergestellt. Das InAs-Hall-Element der vorliegenden Erfindung, das von diesem Dünnfilm Gebrauch macht, zeigt einen vernachlässigbar kleinen oder nahe bei 0 liegenden Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands und zeigt keinen Rückgang des Widerstands bei hoher Temperatur, wie in Figur 6 veranschaulicht wird.
• Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein InAs-Hall-Element realisiert, das einen nahe bei 0 liegenden Temperaturkoeffizienten des Eingangswiderstands in Abhängigkeit von der Temperatur über einen Temperaturbereich von 40 ºC bis 150 ºC zeigt, in dem von einem InAs-Dünnfilm mit zwei Schichten, die hinsichtlich der Elektronenbeweglichkeit verschieden sind und auf einem Substrat durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wurden, Gebrauch gemacht wird. Der InAs-Dünnfilm schließt also eine Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit ein, wobei die Schicht mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit Donatoren dotiert ist.
• Im Ergebnis ist das InAs-Hall-Element der vorliegenden Erfindung frei von dem Phänomen, daß der Eingangswiderstand sinkt, wenn die Temperatur über 60 ºC ansteigt. So wird das Problem des Betreibens bei konstanter Spannung überwunden. Außerdem wurde gefunden, daß selbst dann, wenn eiii Hall-Element-Chip mit geringer Größe hergestellt wird, der Eingangswiderstand mit einem Anstieg der Temperatur nicht sinkt und folglich der elektrische Strom nicht ansteigt. Dies führt dazu, daß der Energieverbrauch nicht steigt. Hierdurch wird eine übermäßige Hitzeerzeugung nicht hervorgerufen. Damit ist ein stabiler Betrieb unter konstanter Spannung für das Hall-Element bei hohen Temperaturen möglich. Dies verbessert nicht nur die Zuverlässigkeit von InAs-Hall-Elementen mit hoher Empfindlichkeit, sondern ermöglicht es auch, die maximale Betriebsspannung (maximale Nennleistung) zu erhöhen und damit eine große Hall-Ausgangsspannung zu erhalten. Im Ergebnis war es erfolgreich, praktische charakteristische Eigenschaften von InAs-Hall- Elementen erheblich zu verbessern.
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in weiteren Einzelheiten beispielhaft beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Beispiel beschränkt.
Beispiel
• Figur 3 zeigt einen InAs-Dünnfilm mit einer Zwei-Schichten-Struktur mit unterschiedlichen Elektronenbeweglichkeiten, d.h einen Bereich mit niedrigerer Elektronenbeweglichkeit (Schicht A), der näher zu der Grenzfläche mit dem Substrat liegt, und einen Bereich mit höherer Elektronenbeweglichkeit (Schicht B), der weiter entfernt von der Grenzfläche mit dem Substrat liegt. In Figur 3 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Substrat. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen InAs-Dünnfilm, der eine Zwei-Schichten-Struktur aufweist. Die Bezugsziffer 21 bezeichnet eine Schicht A mit einer niedrigeren Elektronenbeweglichkeit, und die Bezugsziffer 22 bezeichnet eine Schicht B mit einer höheren Elektronenbeweglichkeit. Außerdem bezeichnet die Bezugsziffer 3 einen Donator bzw. eine Donator-Verunreinigung der bzw. die in die Schicht B mit einer höheren Elektronenbeweglichkeit eindotiert wurde. Die Figuren 1A bzw. 1B zeigen die Struktur eines Hall-Elements, das den InAs-Dünnfilm mit einer Zwei-Schichten-Struktur aufweist, als den magnetoempfindlichen Abschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 1A ist eine Ansicht von oben, und Figur 1B ist eine Ansicht im Querschnitt. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Elektrode des Hall-Elements. Die Bezugsziffer 5 bezeichnet den magnetoempfindlichen Abschnitt des Hall-Elements. Die Figuren 2A und 2B zeigen ein Beispiel eines verkapselten Hall-Elements, worin das Hall-Element auf einem Inselbereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und verkapselt. Figur 2A ist eine Ansicht von oben, und Figur 2B ist eine Ansicht im Querschnitt. Die Bezugsziffer 6 bezeichnet ein Epoxidharz als Formmaterial für die Verkapselung. Die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen Au-Draht. Die Bezugsziffern 81 und 82 bezeichnen eine Leiterbahn und einen Inselbereich einer Leiterbahn. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Schutzschicht als Passivierungsschicht auf der Oberfläche von InAs.
• Was das Donator-Element angeht, welches eine wichtige Rolle im Rahmen der vorliegenden Erfindung spielt, können vorzugsweise diejenigen Elemente verwendet werden, die allgemein als Donator für InAs dienen. Diese schließen beispielsweise Si, S, Ge, Se, Sn und dergleichen ein. Die Dotierungsmenge muß wenigstens 4 x 10¹&sup6;/cm³ sein, angegeben als Elektronenkonzentration. Da es eine Beschränkung der Dotierungsmenge jedes Elements gibt, liegt der obere Grenzwert der Elektronenkonzentration bei 8 x 10¹&sup7;/cm³. In dem Dünnfilm mit einer Dicke von 1,4 um oder weniger, wie er vorzugsweise in Hall- Elementen verwendet wird, sind Si, S, Ge und Sn besonders bevorzugte Dotierungsmittel- Elemente.
• Die Schicht A kann mit einem Donator in einer Menge in einem Bereich dotiert werden, dessen Beitrag zur elektrischen Leitung vernachlässigbar ist, verglichen mit dem von Schicht B. Es ist bevorzugt, daß die Konzentration an Donator in der Schicht A niedriger sein kann als oder die gleiche sein kann wie die in Schicht B.
• Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Substrat kann von jedem beliebigen Typ sein, soweit es ein isolierendes oder halbisolierendes Substrat ist, welches ein epitaxiales Wachstum eines InAs-Dünnfilms darauf erlaubt. Von den Substraten besonders bevorzugt sind halbisolierende Substrate, die aus GaAs oder InP bestehen. Ferner kann ein Substrat, das erhalten wurde durch hetero-epitaxiales Wachstum von GaAs, InP und dergleichen auf einem Si-Substrat oder dergleichen vorzugsweise als Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Dabei bedeutet der Begriff "epitaxiales Wachstum" wie er im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, daß man einen Dünnfilm auf einem Substrat in Übereinstimmung mit der Gesetzmäßigkeit der Kristallstruktur in dem Substrat wachsen läßt.
• Der Schicht-Widerstand ist bestimmungsgemäß etwa 50 Ω, was ein unterer Grenzwert im Hinblick auf einen praktisch verwendbaren Bereich beim Aufbau eines Hall-Elements ist. Der obere Wert des Eingangswiderstands von InAs-Hall-Elementen ist nicht beschränkt; üblicherweise ist jedoch ein Wert von 1 kΩ oder weniger gut für die praktische Anwendung. Bei der Anwendung als InAs Hall-Element ist es bevorzugt, daß der Schichtwiderstand des InAs-Dünnfilms 600 Ω oder weniger beträgt. Und ein noch mehr bevorzugter Wert ist 400 Ω oder weniger.
• Figur 6 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Eingangswiderstands des InAs-Dünnfilm- Hall-Elements entsprechend der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands des in Figur 5 gezeigten InAs-Dünnfilms und zeigt eine starke Verringerung der temperaturabhängigen Änderung. Die durchgezogene Linie zeigt die Temperaturabhängigkeit des Eingangswiderstands eines InAs-Hall-Elements der vorliegenden Erfindung, und die unterbrochene Linie zeigt die Temperaturabhängigkeit des Eingangswiderstands eines undotierten InAs-Hall-Elements. Der Temperaturkoeffizient des Eingangswiderstands des InAs-Dünnfilm-Hall-Elements ist bei einer Temperatur von 100 ºC oder höher sehr klein. Dies spiegelt die temperaturabhängige Änderung von uH des InAs-Dünnfilms mit einer Zwei-Schichten-Struktur wider, wie sie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist.
• Das Hall-Element der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise eine Magnetverstärker- Struktur haben, um eine große Hall-Ausgangsspannung zu erhalten. Als Beispiel einer derartigen Struktur zeigen die Figuren 7A und 7B ein Beispiel eines Hall-Elements mit der Magnetverstärker-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 7A ist eine Ansicht der Struktur eines Hall-Elements der vorliegenden Erfindung von oben, und Figur 7B ist eine Ansicht eines derartigen Elements im Querschnitt. Die Bezugsziffer 10 bezeichnet ein ferromagnetisches Material, das mit dem Ziel angebracht ist, einen Magnetverstarker- Effekt zu ergeben. Figur 8 zeigt ein Beispiel eines verkapselten Elements, in dem das in den Figuren 7A und 7B gezeigte Hall-Element auf dem Inselbereich einer Leiterbahn angeordnet ist, verdrahtet mit einem Golddraht und verkapselt. fn diesem Beispiel kann das ferromagnetische Material 10, das verwendet wird mit dem Ziel, das Hall-Element mit einem Magnet-Verstärker-Effekt zu versehen, allgemeinjedes Material sein, das eine hohe Permeabilität und eine geringe Restmagnetisierung aufweist. Ferrit, Permalloy und dergleichen können vorzugsweise als ferromagnetisches Material verwendet werden. Materialien, die durch Mischen eines Pulvers von Ferrit, Permalloy oder dergleichen mit einem Harz wie beispielsweise einem Epoxyharz oder einem Siliconharz und Härten der Mischung erhalten werden, können häufig als ferromagnetisches Material ebenfalls verwendet werden. Wie in Figur 9 gezeigt, kann der magnetoempfindliche Abschnitt sandwichartig zwischen dem ersten ferromagnetischen Material 10 und dem zweiten ferromagnetischen Material 11 angeordnet sein, um den Magnetverstärkungseffekt zu erhöhen. Das ferromagnetische Material ist nahe dem magnetoempfindlichen Abschnitt angeordnet, um einen großen Magnetverstärker-Effekt zu erhalten. Die Figuren 10 und 11 zeigen andere Herstellungsbeispiele mit einer Magnetverstarker-Struktur.
• Das Hall-Element der vorliegenden Erfindung kann häufig mit anderen Schaltungselementen integriert sein. Figur 12 zeigt ein Beispiel einer magnetoelektrischen InAs-Wandlervorrichtung, die das InAs-Hall-Element der vorliegenden Erfindung und andere Schaltungselemente einschließt.
• Figur 13 zeigt einen Magnetschalter, der eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes zur Erzeugung einer Hall-Ausgangsspannung des InAs-Hall-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Durch Zusammenbau eines Hall-Elements und einer Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds ist es möglich, einen Magnetschalter durch Erzeugen einer Hall-Ausgangsspannung als Signal zum Schalten eines Stroms herzustellen oder einen Übergang von einem Großsignal zu einem Kleinsignal oder umgekehrt durch Ändern der Magnetfeld-Intensität durch die Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes zu erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist der Aufbau eines Hall-Elements mit einem Magneten, der einen Mechanismus zur Änderung des angelegten Magnetfelds an das Hall- Element aufweist. Die vorliegende Erfindung umfaßt also eine Ausführungsform, die eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds einschließt.
• Das Verfahren zur Herstellung des Hall-Elements der vorliegenden Erfindung schließt die Schritte ein daß man
• - einen InAs-Dünnfilm bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um auf einem isolierenden Substrat durch epitaxiales Wachstum bildet;
• - eine Schicht des InAs-Dünnfilms mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator dotiert;
• - anschliebend Elektroden auf vorbestimmten Abschnitten des InAs-Dünnfilms bildet; und
• - ein Muster eines magnetoempfindlichen Abschnitts durch Ätzen bildet.
• Der Schritt der Ausbildung eines InAs-Dünnfilms mit einer Dicke von beispielsweise 0,2 bis 1,4 um auf einem isolierenden Substrat durch epitaxiales Wachstum führt zu einem InAs-Dünnfilm mit guter Kristallisierbarkeit auf einem Substrat durch epitaxiales Wachstum. Daher kann der Schritt des epitaxialen Wachstums durchgeführt werden mittels einer beliebigen Verfahrensweise der Molekularstrahl-Epitaxie (MBE-Verfahren), der chemischen Abscheidung einer metallorganischen Schicht aus der Dampfphase (MOCVD- Verfahren), der Flüssigphasen-Epitaxie (LPE-Verfahren), der Dampfphasen-Epitaxie (VPE-Verfahren) und dergleichen.
• Der Schritt des Eindotierens eines Donators in die Schicht des InAs-Dünnfilms mit höherer Elektronenbeweglichkeit kann durchgeführt werden mittels der Verfahrensweisen, die zur Dotierung eines derartigen Dünnfilms mit einem Donator verwendet werden. Beispiele hierfür sind ein In-situ-Dotieren bei dem Wachstum des Dünnfilms, ein Ionenimplantations-Verfähren, ein thermisches Diffusions-Verfahren oder dergleichen. Die Insitu-Dotierung bei Wachsen des Diinnfilms wird vorzugsweise für den vorliegenden Zweck verwendet. So ist es besonders bevorzugt gleichzeitig die Dotierung der Schicht des InAs-Dünnfilms mit hoher Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator während des Schritts des Ausbildens des InAs-Dünnfilms mit einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um durch epitaxiales Wachstum durchzuführen. Es ist besonders bevorzugt, die in-situ-Dotierung zum Zeitpunkt des Wachsenlassens des Dünnfilms durch das MBE-Verfahren oder das MOCVD-Verfahren durchzuführen dies führt zu einer exzellenten Steuerung des Dotiervorgangs.
• Der Schritt der Ausbildung der Elektroden auf vorbestimmten Bereichen des InAs-Dünnfilms unter Verwendung einer darauf gebildeten Elektrodenmetallschicht kann ein Schritt sein, bei dem ein Verdampfungsverfahren, Sputterverfahren oder dergleichen zur Anwendung komme und man das Abhebeverfahren (lift off method) zusammen mit Photolithographie zur Bildung von Metallschichten nur auf den vorbestimmten Bereichen anwendet oder in dem man ein Verdampfungsverfahren, Sputterverfahren, Plattierverfahren oder dergleichen unter Ausbildung von Metallschichten im Bereich der gesamten Oberfläche anwendet und einen unerwünschten Abschnitt durch Ätzen entfernt oder in dem man ein Plattierverfahren unter Bildung der Metallschicht nur auf dem vorbestimmten Abschnitt ausbildet, indem man photolithographisch eine Resist-Markierung anbringt. Um gute Bindungseigenschaften zu realisieren, ist die Elektrodenstruktur vorzugsweise eine Laminat-Struktur, die erhalten wird durch Auflaminieren einer Kontaktschicht, einer Bindungsschicht oder von Zwischenschichten, die zwischen diese Schichten eingeschoben sind, oder dergleichen. Eine Drei-Schichten-Struktur aus einer Ohm-Kontakt-Schicht aus Cu, einer Zwischenschicht aus Ni und einer Bindungsschicht aus Au ist besonders bevorzugt.
• Der Schritt der Ausbildung eines Musters eines magnetoempfindlichen Abschnitts durch Ätzen führt zur Entfernung des unerwünschten Abschnitts durch Trocken-Ätzen oder NaßÄtzen unter Verwendung photolithographischer Verfahrensschritte.
• Es ist oft der Fall, daß von einem Schritt der Anordnung eines ferromagnetischen Materials in enger Anbindung an wenigstens eine Seite des magnetoempfindlichen Abschnitts aus dem InAs-Dünnfilm Gebrauch gemacht wird. Oft bringt man ein ferromagnetisches Material in enger Anbindung an beide Seiten des magnetoempfindlichen Bereichs an, um diesen noch empfindlicher zu machen.
Herstellungsbeispiel 1
• Ein Halter mit einem Dutzend halb-isolierender GaAs-Substrate einer Dicke von 0,3 mm und eines Durchmessers von 50,8 mm (2 in), deren eine Oberfläche blank poliert war, wurde in eine Wachstumskammer unter Ultra-Hochvakuum in eine Molekularstrahl- Epitaxie-Vorrichtung eingesetzt, wobei die spiegelblank polierte Seite der GaAs-Substrate den Verdampfungsquellen gegenüberlag. Anschließend ließ man den Substrathalter horizontal rotieren, und die GaAs-Substrate wurden mittels einer Substrat-Aufheizvorrichtung aufgeheizt. Befüllte Verdampfungsquellen d.h. K-Zellen mit In, As bzw. Si wurden ebenfalls bereitgestellt. Im nächsten Schritt wurden In und As aus den K-Zellen 20 min lang unter Einstellen einer Substrattemperatur von 580 ºC einer In-Zelltemperatur von 750 ºC sind eines As-Strahls von 3 x 10³&sup6;m² (3 x 10&supmin;&sup5; mb) verdampft, und gleichzeitig wurde Si als Donator 15 min lang verdampft, wobei dies 5 min nach dem Beginn der Verdampfung von In und As begonnen wurde. Letzteres geschah unter Einstellen einer Zell-Temperatur von 1.140 ºC. So wurde ein mit Si dotierter InAs-Einkristall-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,4 um durch epitaxiales Wachstum auf der spiegelblanken Oberfläche des Substrats ausgebildet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Nach Abkühlen wurde das Substrat aus der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung herausgenommen, und es wurden seine charakteristischen Eigenschaften gemessen. Im Ergebnis wurde gefunden, daß das Substrat einen Schichtwiderstand von 120 Ω und eine Elektronenbeweglichkeit von 14.000 cm²/Vs hatte.
• Der in Figur 3 gezeigte so hergestellte InAs-Dünnfilm hatte eine Schicht mit niedriger Elektronenbeweglichkeit in der Nähe der Grenzfläche mit dem GaAs-Substrat und eine Schicht hoher Elektronenbeweglichkeit mit Si als Donator, die von der Grenzfläche mit dem Substrat entfernt lag.
• Anschließend wurden auf der auf dem GaAs-Substrat gewachsenen Oberfläche des InAs- Dünnfilms Cu und Ni aufeinanderfolgend mit einer Dicke von jeweils 1 um durch ein Feuchtplattierverfahren als Elektroden mittels einer Photolithographie-Verfahrensweise aufplattiert. Danach wurde das Resist entfernt, und eine Au-Schicht wurde selektiv auf den Bindungsabschnitten zur Elektrodenbildung mittels eines Photolithographie-Verfahrens aufplattiert. Im Anschluß daran wurde unter Verwendung eines neuen Resists als Maske ein Teil des auf dem InAs-Dünnfilm gebildeten Metallfilms unter Bildung von Elektroden weggeätzt Gleichzeitig wurde der InAs-Dünnfilm geätzt. Außerdem wurde ein Film aus Si&sub3;N&sub4; mit einer Dicke von 0,3 um (3.000 Å) darauf als Isolierschicht mittels eines Plasma- CVD-Verfahrens bei einer Substrat-Temperatur von 300 ºC gebildet. Ein Resistmuster wurde darauf mittels desselben Photolithographie-Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde, unter Bildung eines Resist-Musters gebildet, und das Si&sub3;N&sub4; auf dem Elektrodenabschnitt wurde durch Reaktivionen-Ätzen entfernt. Durch diese Schritte wurden etwa 8.700 Hall-Elemente wie sie in den Figuren 1A und 1B gezeigt sind, auf einem einzelnen Substrat hergestellt.
• Anschließend wurden die Hall-Elemente auf dem Substrat in eine Anzahl von einzelnen Hall-Element-Chips aufgeteilt, wofür man eine Zerteil-Säge verwendete. Diese Hall- Element-Chips wurden unter Druck auf dem Inselbereich einer Leiterbahn mit einem elektrisch leitenden Epoxidharz unter Verwendung einer automatischen Druckbinde- Vorrichtung (die bonder) gebunden, und die Elektrodenabschnitte des Hall-Elements wurden mit einem Au-Draht unter Verwendung einer automatischen Draht-Bindevorrichtung mit einer Ladungsquelle verbunden. Anschließend wurde ein Siliconharz auf die Chip-Oberfläche des Hall-Elements zum Schutz gebunden, aufgetropft und gehärtet und in einem Epoxidharz unter Verwendung einer Preßspritz-Vorrichtung geformt. Das so geformte Hall-Element wurde einem Schritt des Schneidens der Leiterbahnen unterworfen und anschließend zu einzelnen, in Harz geformten Hall-Elementen verarbeitet, wie sie in den Figuren 2A und 2B gezeigt sind. Tabelle 7 zeigt charakteristische repräsentative Eigenschaften des so hergestellten Hall-Elements. Tabelle 7 Repräsentative charakteristische Eigenschaften von InAs-Hall-Elementen Betrieb bei konstanter Spannung Betrieb bei konstantem Strom Element Nr Eingangswiderstand Ausgangsspannung Offsetspannung (mV) Anmerkungen: Ein Betrieb bei konstanter Spannung erfolgte bei einer Eigangsspannung von 3 V und einer Magnetfluß-Dichte von 500 G 500 10&supmin;&sup4; T. Ein Betrieb bei konstantem Strom erfolgte bei einem Eingangsstrom von 1 mA und einer Magnetflußdichte von 1 kG 1 10&supmin;¹ T.
• Die Figuren 6, 14 und 15 veranschaulichen die charakteristischen Temperaturwerte des in Harz geformten Hall-Elements. Aus Figur 6 ist ersichtlich, daß das Hall-Element der vorliegenden Erfindung eine Temperaturabhängigkeit des Eingangswiderstands (durchgezogene Linie) aufweist, die bis zur Temperatur von 150 ºC nicht abfällt. Dies wurde bei einem herkömmlichen Hall-Element nicht beobachtet. Es wurde gefunden, daß die temperaturabhängige Änderung der Hall-Ausgangsspannung sehr klein ist. Die Änderungen werden nach der folgenden Formel berechnet:
• (Ausgangsspannung bei 150 ºC - Ausgangsspannung bei 25 ºC)/Ausgangsspannung bei 25 ºC/(150 ºC - 25 ºC).
• Im Fall, daß diese Formel auf Figur 14 angewendet wird, beträgt die Änderung bei Betrieb mit konstanter Spannung -0,12 %/ºC, was berechnet wird aus (44 mV - 52 mV)/52mV/125 ºC. Außerdem beträgt in dem Fall, daß die Formel auf Figur 15 angewendet wird, die obige Änderung bei Betrieb mit konstantem Strom bis zu 150 ºC - 0,11 %/ºC. Dies wurde berechnet aus (13 mV - 15 mV)/15 mV/125 ºC.
• Darüberhinaus zeigt Tabelle 8 Ergebnisse repräsentativer Tests der Zuverlässigkeit der so hergestellten Hall-Elemente. Tabelle 8 Maximale Eingangsspannung von Hall-Elementen derselben Größe (Vergleichswerte) Maximale Eingangsspannung (V) Erfindungsgemaß Undotiert Anmerkung: Die Zahl der Testproben war 6 für dotierte und undotierte Proben.
• Die maximale Eingangsspannung bei Raumtemperatur stieg um ungefähr 50 % an, verglichen mit einem undotierten InAs-Hall-Element. Dies zeigt, daß das Element in großem Ausmaß thermisch verstarkt wurde. Außerdem verschwanden die Störungen durch Eigen-Bruch (self-breaking) bei hohen Temperaturen. Da außerdem der Temperaturkoeffizient des Widerstands des InAs-Hall-Elements der Erfindung klein und nahezu konstant war, wurde die temperaturabhängige Änderung der Offset-Spannung bei einem Magnetfeld der Größe 0 sehr klein, verglichen mit einem undotierten InAs-Hall-Element.
• Die Figuren 16 und 17 veranschaulichen die Magnetfeld-Eigenschaften der Hall-Ausgangsspannung des erfindungsgemaßen InAs-Hall-Elements. Die Linearität der Hall-Ausgangsspannung gegen die Magnetflußdichte ist also ebenfalls gut.
Herstellungsbeispiel 2
• Nachdem man ein Hall-Element-Muster in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 hergestellt hatte, wurde ein Wafer einem Schritt des Polierens des GaAs-Substrats auf der Rückseite unter Verringerung der Dicke auf 120 um unterworfen. Anschließend wurde der Wafer unter Verwendung einer Schneidsäge geschnitten. Es folgten die oben beschriebenen Schritte des Druckbindens, Verdrahtens, Schützens der Oberfläche mit einem Siliconharz und Einkapselns mit einem Epoxidharz. So wurde ein dünnes Miniform-Hall-Element mit einer Verkapselungsdicke von 0,60 mm hergestellt. In diesem Fall waren die charakteristischen Eigenschaften des resultierenden Hall-Elements ähnlich den Ergebnissen von Herstellungsbeispiel 1. Die Zuverlässigkeit war den in Herstellungsbeispiel 1 genannten Daten äquivalent.
Herstellungsbeispiel 3
• Ein Halter mit einem Dutzend halb-isolierender GaAs-Substrate einer Dicke von 0,3 mm und eines Durchmessers von 50,8 mm (2 in), deren eine Oberfläche blank poliert war, wurde in eine Wachstumskammer unter Ultra-Hochvakuum in eine Molekularstrahl- Epitaxie-Vorrichtung eingesetzt. Anschließend ließ man den Substrathalter horizontal rotieren uiid die GaAs-Substrate wurden mittels einer Substrat-Aufheizvorrichtung aufgeheizt. Befüllte Verdampfungsquellen, d.h. K-Zellen mit In, As bzw. Si wurden ebenfalls in der Wachstumszelle in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 bereitgestellt. Im nächsten Schritt wurden In und As aus den K-Zellen 5 min lang unter Einstellen einer Substrattemperatur von 580 ºC, einer In-Zelltemperatur von 750 ºC, eines As- Strahls von 3 x 10&supmin;³&sup6;m² (3 x 10&supmin;&sup5; mb) und einer Si-Zell-Temperatur von 1.140 ºC verdampft. Es folgte eine Behandlung zur Glättung der Oberfläche durch unterbrochenes Wachstum d.h. ein In- und ein Si-Strahl wurden 2 min lang aufgesputtert, und anschließend wurden In, As und Si 15 min lang aufgedampft. So wurde ein mit Si dotierter InAs- Einkristall-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,4 um durch epitaxiales Wachstum auf der spiegelblank polierten Oberflächenseite des Substrats gebildet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Nach Abkühlen wurde das Siibstrat aus der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung herausgenommen, und seine charakteristischen Eigenschaften wurden gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß das Substrat einen Schichtwiderstand von 130 Ω und eine Elektronenbeweglichkeit von 14.000 cm²/Vs aufwies.
• So wurde ein InAs-Dünnfilm hergestellt, wie er in Figur 3 gezeigt ist. Dieser hatte eine Schicht mit niedriger Elektronenbeweglichkeit in der Nachbarschaft der Grenzfläche mit dem GaAs-Substrat und eine Schicht mit hoher Elektronenbeweglichkeit, die von der Grenzfläche des InAs-Dünnfilms entfernt war. Si war als Donator eindotiert.
• Anschließend wurde unter Verwendung dieses InAs-Dünnfilms ein InAs-Hall-Element in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 hergestellt. Auch in diesem Fall waren die charakteristischen Eigenschaften des resultierenden Hall-Elements im wesentlichen dieselben und die Zuverlässigkeit war der des Elements von Beispiel 1 äquivalent.
Herstellungsbeispiel 4
• Ein Halter mit einem Dutzend halb-isolierender GaAs-Substrate einer Dicke von 0,3 mm und eines Durchmessers von 50,8 mm (2 in), deren eine Oberfläche blank poliert war, wurde in eine Wachstumskammer unter Ultra-Hochvakuum in eine Molekularstrahl- Epitaxie-Vorrichtung eingesetzt. Anschließend ließ man den Substrathalter horizontal rotieren, und die GaAs-Substrate wurden mittels einer Substrat-Aufheizvorrichtung aufgeheizt. Befüllte Verdampfungsquellen d.h. K-Zellen mit In, As bzw. Si wurden ebenfalls in der Wachstumszelle in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 bereitgestellt Im nächsten Schritt wurden In und As aus den K-Zellen 20 min lang unter Einstellen einer Substrattemperatur von 580 ºC, einer In-Zelltemperatur von 750 ºC, eines As-Strahls von 3 x 10&supmin;³&sup6;m² (3 x 10&supmin;&sup5; mb) und bei einer Si-Zell-Temperatur von 1.120 ºC verdampft. In diesem Fall wurde die Temperatur der Si-Zelle um 20 ºC auf 1.140 ºC erhöht, nachdem anfänglich 5 min verstrichen waren. Auf diesem Wege wurde ein mit Si dotierter InAs-Einkristall-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,4 um durch epitaxiales Wachstum auf der spiegelblank polierten Oberflächenseite des Substrats gebildet. Darin war der Abschnitt des Dünnfilms mit höherer Elektronendichte mit mehr Si dotiert. Nach Abkühlen des Substrats wurde dieses aus der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung herausgenommen, und seine charakteristischen Eigenschaften wurden gemessen. Im Ergebnis wurde gefunden, daß dieses einen Schichtwiderstand von 120 Ω und eine Elektronenbeweglichkeit von 14.100 cm²/Vs hatte.
• So wurde ein InAs-Dünnfilm hergestellt, wie er in Figur 3 gezeigt ist. Dieser hatte eine Schicht von niedriger Elektronenbeweglichkeit in der Nähe der Grenzfläche mit dem GaAs-Substrat und eine Schicht von hoher Elektronenbeweglichkeit, die von der Grenzfläche des InAs-Dünnfilms entfernt war. Si war als Donator eindotiert.
• Unter Verwendung dieses InAs-Dünnfilms wurde anschließend ein InAs-Hall-Element in derselben Weise wie im Herstellungsbeispiel 1 hergestellt. Auch in diesem Fall waren die charakteristischen Eigenschaften des resultierenden Hall-Elements im wesentlichen dieselben, und die Zuverlässigkeit war der des in Herstellungsbeispiel 1 hergestellten Elements äquivalent.
Herstellungsbeispiel 5
• Ein Halter mit einem Dutzend halb-isolierender GaAs-Substrate einer Dicke von 0,3 mm und eines Durchmessers von 50,8 inm (2 in), deren eine Oberfläche blank poliert war, wurde in eine Wachstumskammer unter Ultra-Hochvakuum in eine Molekularstrahl- Epitaxie-Vorrichtung eingesetzt. Anschließend iieß man den Substrathalter horizontal rotieren, und die GaAs-Substrate wurden mittels einer Substrat-Aufheizvorrichtung aufgeheizt. Befüllte Verdampfungsquellen, d.h. K-Zellen mit In, As bzw. S wurden ebenfalls in der Wachstumszelle in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 bereitgestellt. Im nächsten Schritt wurden In und As aus den K-Zellen 20 min lang unter Einstellen einer Substrattemperatur von 580 ºC, einer In-Zelltemperatur von 750 ºC, eines As-Strahls von 3 x 10&supmin;³&sup6;m² (3 x 10&supmin;&sup5; mb) verdampft. S, das als Dotierungsmittel verwendet wurde, wurde verdampft, wobei man 5 min nach Beginn der Verdampfung startete und diese 15 min lang fortsetzte. So wurde ein mit S dotierter InAs-Einkristall-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,4 um durch epitaxiales Wachstum auf der spiegelblank polierten Oberflächenseite des Substrats gebildet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Nach Kühlen des Substrats wurde dieses aus der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung herausgenommen, und seine charakteristischen Eigenschaften wurden gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden daß es einen Schichtwiderstand von 120 Ω und eine Elektronenbeweglichkeit von 13.500 cm²/Vs hatte.
• Anschließend wurde unter Verwendung dieses InAs-Dünnfilms ein InAs-Hall-Element in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 hergestellt. Auch in diesem Fall waren die charakteristischen Eigenschaften des resultierenden Hall-Elements im wesentlichen dieselben, und die Zuverlässigkeit war der des in Herstellungsbeispiel 1 hergestellten Elements äquivalent.
Herstellungsbeispiel 6
• Ein Halter mit einem Dutzend halb-isolierender InP-Substrate einer Dicke von 0,3 mm und eines Durchmessers von 50,8 mm (2 in), deren eine Oberfläche blank poliert war, wurde in eine Wachstumskammer unter Ultra-Hochvakuum in eine Molekularstrahl- Epitaxie-Vorrichtung eingesetzt. Anschließend ließ man den Substrathalter horizontal rotieren, und die InP-Substrate wurden mittels einer Substrat-Aufheizvorrichtung aufgeheizt. Befüllte Verdampfungsquellen, d.h. K-Zellen mit In, As bzw. Ge wurden ebenfalls in der Wachstumszelle in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 bereitgestellt. Im nächsten Schritt wurden In und As aus den K-Zellen 20 min lang unter denselben Bedingungen wie im Herstellungsbeispiel 5 verdampft und Ge, das als Dotierungsmittel verwendet wurde, wurde verdampft, wobei man 5 min nach Beginn der Verdampfung startete und diese 15 min lang fortsetzte. So wurde ein mit Ge dotierter InAs-Einkristall-Dünnfilm mit einer Dicke von 0,4 um durch epitaxiales Wachstum auf der spiegelblank polierten Oberflächenseite des Substrats gebildet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Nach Kühlen des Substrats wurde dieses aus der Molekularstrahl-Epitaxie-Vorrichtung herausgenommen, und seine charakteristischen Eigenschaften wurden gemessen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß es einen Schichtwiderstand von 110 Ω und eine Elektronenbeweglichkeit von 13.000 cm²/Vs hatte.
• Anschließend wurde unter Verwendung dieses InAs-Dünnfilms ein InAs-Hall-Element in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 hergestellt. Auch in diesem Fall waren die charakteristischen Eigenschaften des resultierenden Hall-Elements im wesentlichen dieselben, und die Zuverlässigkeit war der des in Herstellungsbeispiel 1 hergestellten Elements äquivalent.
Herstellungsbeispiel 7
• Auf einer Oberfläche eines InAs-Dünnfilms, der auf einem GaAs-Substrat durch epitaxiales Wachstum in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1 gebildet worden war, wurde das erste Resist einer vorbestimmten Form durch Photolithographie gebildet. Anschließend wurden der Reihe nach Filme aus Au-Ge einer Dicke von 2.500 Å (0,25 um), Ni einer Dicke von 500 Å (0,05 um) und Au einer Dicke von 3.000 Å (0,3 um) auf der gesamten Oberfläche durch ein Vakuum-Abscheideverfahren gebildet. Anschließend wurden der Resist und das Metall auf dem Resist gleichzeitig durch ein Lift-Off-Verfahren unter Bildung einer aus drei Schichten bestehenden Elektrode entfernt. Anschließend wurde das zweite Resist-Muster darauf durch Photolithographie-Verfahren gebildet. Unter Verwendung dieses Resists als Maske wurde der InAs-Dünnfilm durch Naßätzen abgeätzt. Darüberhinaus wurde im Bereich der gesamten Oberfläche ein Film aus Si&sub3;N&sub4; mit einer Dicke von 3.000 Å (0,3 um) als Isolierschicht mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens bei einer Substrattemperatur von 300 ºC gebildet. Ein Resist-Muster wurde darauf mittels desselben Photolithographie-Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde, gebildet. So wurde ein Resist-Muster gebildet, und das Si&sub3;N&sub4; auf dem Elektrodenabschnitt wurde durch Reaktiv-Ionenätzen entfernt. Durch diese Schritte wurden etwa 2.500 Hall-Elemente auf einem Substrat hergestellt, wie dies in Figur 1A gezeigt ist.
• Danach wurde nach Reduzieren der Dicke des Substrats auf 120 um durch Polieren auf der Rückseite eine Ferrit-Platte mit einer Dicke von 300 um auf der Rückseite des Substrats mit einem Epoxidharz aufgebracht. Anschließend wurden die Hall-Elemente auf dem Substrat in eine Anzahl einzelner Hall-Element-Chips gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Figuren 7A und 7B gezeigt sind, unter Verwendung einer Trennsäge aufgeteilt. Die resultiereiiden Hall-Element-Chips wurden auf den Insel-Bereich einer Leiterbahn mit einem elektrisch leitenden Epoxidharz unter Verwendung einer automatischen Druckbinde-Vorrichrung gebunden. Dem folgte das Verbinden der Leiterbahn mit dem Elektrodenabschnitt des Hall-Elements mit einem Au-Draht unter Verwendung einer automatischen Draht-Bindevorrichtung. Anschließend wurde ein Siliconharz beschichtungsmäßig auf die Chip-Oberfläche des Hall-Elements zum Schutz aufgetragen, und der Chip wurde in einem Epoxidharz unter Verwendung einer Preßspritzvorrichtung geformt. Das geformte Hall-Element wurde einem Schritt des Schneidens der Leiterbahnen unterworfen und zu einzelnen in Harz gegossenen Hall-Elementen verarbeitet, wie sie in Figur 8 gezeigt sind.
• Tabelle 9 zeigt repräsentative charakteristische Eigenschaften des so hergestellten Hall- Elements. Im Vergleich mit den Elementen in Herstellungsbeispiel 1, die keine Magnetverstärkungsstruktur hatten, wurde mit den Hall-Elementen des vorliegenden Beispiels eine große Hall-Ausgangsspannung der etwa 1,6-fachen Größe durch einen Magnetverstärker-Effekt realisiert. Die Elemente zeigten eine Hall-Ausgangsspannung, die äquivalent der eines Hall-Elements des magnetverstärkten Typs war, das bei Raumtemperatur bei berechneten Betriebsbedingungen betrieben wurde.
• Die Figuren 18, 19 und 20 veranschaulichen jeweils die charakteristischen Temperatur- Eigenschaften des Hall-Elements gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 18 veranschaulicht die Abhängigkeit der Temperatur vom Eingangswiderstand des Hall-Elements gemäß der Erfindung Diese Figur zeigt, daß die temperaturabhängige Änderung stark verringert wurde, was die charakteristischen Eigenschaften des in Figur 5 gezeigten Dünnfilms reflektiert. In dieser Figur bezeichnet die durchgezogene Linie die charakteristischen Temperatureigenschaften des Widerstands des InAs-Hall-Elements gemäß der Erfindung, während die durchbrochene Linie die charakteristischen Temperatureigenschaften des Widerstands des undotierten InAs-Hall-Elements zum Vergleich zeigt.
• Aus Figur 18 ist ersichtlich, daß das Hall-Element der vorliegenden Erfindung gute charakteristische Temperatureigenschaften des Eingangswiderstands aufweist, der bis zu einer Temperatur von 150 ºC nicht zurückgeht, und die Magnetverstärkung verändert die charakteristischen Temperatureigenschaften nicht. Außerdem ist aus den Figuren 19 und 20 ersichtlich, daß die temperaturabhängige Änderung der Hall-Ausgangsspannung bis zu einer Temperatur von 150 ºC sehi klein ist. Da die Änderung des Widerstands in Abhängigkeit von der Temperatur klein ist und im wesentlichen auf einem konstanten Niveau bleibt, wird die temperaturabhängige Änderung der Offset-Spannung dann, wenn das Magnetfeld 0 ist, sehr klein, verglichen mit einem herkömmlichen Hall-Element. Tabelle 9 Typische Hall-Ausgangsspannung eines InAs-Hall-Elements bei Betrieb unter konstanter Spannung (Vergleich bei berechneten Werten) InAs-Hall-Element gemäß der Erfindung Herkömmliches InSb-Hall-Element
Herstellungsbeispiel 8
• Auf der Oberfläche des magnetoempfindlichen Bereichs des Hall-Elements nach dem Druckbinden und Drahtbinden, dar in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 7 hergestellt worden war, wurde ein Ferrit-Stück in Form eines Würfels mit den Maßen 0,35 mm x 0,35 mm x 0,35 mm mit einem Siliconharz aufgebracht. Anschließend wurde diese Anordnung mit einem Epoxidharz verkapselt und so ein Hall-Element mit einem ferromagnetischen Material auf jeder Seite hergestellt, wie es in Figur 9 gezeigt ist. Bei Messung der charakteristischen Eigenschaften dieses Elements wurden die in Tabelle 10 gezeigten Ergebnisse erhalten.
• Die Schaffung des zweiten ferromagnetischen Materials ermöglichte die Realisierung einer höheren Empfindlichkeit, die das 2,5-fache der Empfindlichkeit des InSb-Hall-Elements betrug. Tabelle 10 Typische Hall-Ausgangsspannung eines InAs-Hall-Elements bei Betrieb mit konstanter Spannung (Vergleich mit berechneten Werten) InAs-Hall-Element gemäß der vorliegenden Erfindung Herkömmliches InSb-Hall-Element
Herstellungsbeispiel 9
• Auf der Oberfläche des magnetoempfindlichen Bereichs des Hall-Elements nach dem Druckbinden und Drahtbinden, das in derselben Weise wie in Hersteliungsbeispiel 7 hergestellt worden war, wurde ein niagneüsches Material von kleiner Größe aus einer Mischung eines Siliconharzes, das 90 Gew.-% Ferritpulver enthielt, angeordnet und gehärtet. Diese Anordnung wurde anschließend mit einem Epoxidharz verkapselt und so ein Hall- Element mit einem ferromagnetischen Material auf jeder Seite dieses Elements hergestellt, wie dies in Figur 10 gezeigt ist.
• Bei Messung seiner charakteristischen Eigenschaften wurden die in Tabelle 11 gezeigten Ergebnisse erhalten.
• Die Schaffung des zweiten ferromagnetischen Materials ermöglichte die Realisierung einer um den Faktor 1,6 gegenüber einem InSb-Hall-Element höheren Empfindlichkeit. Tabelle II Typische Hall-Ausgangsspannung eines InAs-Hall-Elements bei Betrieb unter konstanter Spannung (Vergleich mit berechneten Werten) InAs-Hall-Element gemäß der vorliegenden Erfindung Herkömmliches In Sb-Hall-Element Konstante Ausgangsspannung
• Wie vorstehend beschrieben, ließ sich mit dem InAs-Hall-Element gemäß der vorliegenden Erfindung ein stabiler Betrieb bei niedriger bis hoher Temperatur erreichen, d.h. ein stabiler Betrieb bei einer Temperatur bis 150 ºC. Das InAs-Hall-Element der vorliegenden Erfindung zeigt keinen Eigen-Bruch bei hohen Temperaturen und weist eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Hall-Ausgangsspannung sowie eine hohe Zuverlässigkeit auf. Wenn außerdem eine Magnetverstärker-Struktur vorgesehen wird, kann das InAs-Hall- Element der vorliegenden Erfindung eine große Hall-Ausgangsspannung erzeugen, und diese große Hall-Ausgangsspannung ist größer als die Hall-Ausgangsspannung eines herkömmlichen InSb-Hall-Elements des Magnetverstärker-Typs. Mit anderen Worten: Das Hall-Element gemäß der Erfindung kann als Hall-Element realisiert werden, das bei einem höheren Temperatur-Bereich oberhalb von 100 ºC betrieben werden kann, in dem herkömmliche InSb-Hall-Elemente nicht verwendet werden können, und weist einen großen in der Wachstumszelle in derselben Weise wie in Herstellungsbeispiel 1Wert der Hall- Ausgangsspannung auf, der dem entsprechenden Wert eines InSb-Hall-Elements überlegen ist.
• Das Hall-Element der vorliegenden Erfindung weist die spezielle charakteristische Eigenschaft auf, daß sich der Eingangs-Widerstandswert nur sehr wenig mit der Temperatur ändert. Dies führt zu einer sehr geringen temperaturabhängigen Änderung in der Offset- Spannung bei einem magnetischen Feld des Werts 0 und es ist möglich, dieses Hall- Element mit einer einfachen und sehr preiswerten elektrischen Stromquelle zu betreiben.
• So können gemäß der vorliegenden Erfindung charakteristische Eigenschaften und Zuverlässigkeit verbessert werden, woran bei Anwendung der herkömmlichen Verfahrensweisen nicht gedacht werden konnte. Außerdem kann eine Verbreiterung des Temperaturbereichs, in dem das Hall-Element betrieben werden kann, erreicht werden. Das Element der vorliegenden Erfindung kann durch ein Wafer-Herstellungsverfahren wie beispielsweise ein photolithographisches Verfahren unter Herstellung der Elektroden durch Ätzen und dergleichen hergestellt werden. Diese Verfahrensschritte sind die allgemein bei der Massenherstellung von Halbleitern hergestellten Verfahrensweisen und ermöglichen damit eine Massenproduktion. Dies ist sehr vorteilhaft aus Sicht der industriellen Anwendung.

Claims (13)

1. Magnetoelektrischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- ein isolierendes Substrat (1) und

- einen dünnen Film (2) aus InAs, der auf dem isolierenden Substrat (1) als magnetoempflndlicher Abschnitt gebildet ist;

worin der dünne InAs-Film (2) gebildet wird durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um und zwei Schichten (21, 22) aufweist, die im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit voneinander verschieden sind, wobei die Schichten (21, 22) eine Schicht (22) iflit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht (21) mit geringerer Elektronenbeweglichkeit, die dem Substrat (1) benachbart ist, einschließen, wobei die Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator (3) dotiert ist.

2. Magnetoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Donator (3) wenigstens ein Element ist, das aus der aus Si, S, Ge, Se und Sn bestehenden Gruppe gewählt ist.

3. Magnetoelektrischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß er einen Körper aus einem ferromagnetischen Material (10) umfaßt, der auf der Oberseite des magneto-empfindlichen Abschnitts und/oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist.

4. Magnetoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der magnetoelektrische Wandler ein Hall-Element ist.

5. Magnetoelektrische Wandler-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen magnetoelektrischen Wandler, der einschließt

- ein isolierendes Substrat (1) und einen dünnen Film (2) aus InAs, der auf dem isolierenden Substrat (1) als magnetoempfindlicher Abschnitt gebildet ist, wobei der dünne InAs-Film (2) durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wird und zwei Schichten (21, 22) aufweist, die im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit verschieden sind, wobei die Schichten (21, 22) eine Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht (21) mit geringerer Elektronenbeweglichkeit, die dem Substrat (1) benachbart ist, einschließen, wobei die Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator (3) dotiert ist; und

- ein Schaltungselement, das elektrisch mit dem magnetoelektrischen Wandler verbunden ist;

worin der magnetoelektrische Wandler und das Schaltungselement im selben Gehäuse gebildet sind.

6. Magnetoeiektrische Wandler-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen magnetoelektrischen Wandler, der einschließt

- ein isolierendes Substrat (1) und einen dünnen Film (2) aus InAs, der auf dem isolierenden Substrat (1) als magnetoempfindlicher Abschnitt gebildet ist, wobei der dünne InAs-Film (2) durch epitaxiaies Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wird und zwei Schichten (21, 22) aufweist, die im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit verschieden sind, wobei die Schichten (21, 22) eine Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht (21) mit geringerer Elektronenbeweglichkeit, die dem Substrat (1) benachbart ist, einschließen, wobei die Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator (3) dotiert ist; und außerdem einschließt

- einen Körper aus einem ferromagnetischen Material (10), der auf der Oberseite des magnetoempfindlichen Abschnitts und/oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist; und

- ein Schaltungselement, das elektrisch mit dem magnetoelektrischen Wandler verbunden ist;

worin der magnetoelektrische Wandler und das Schaltungselement im selben Gehäuse gebildet sind.

7. Magnetoelektrische Wandler-Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoelektrische Wandler ein Hall-Element ist.

8. Magnetschalter, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- einen magnetoelektrischen Wandler, der einschließt

- ein isolierendes Substrat (1) und einen dünnen Film (2) aus InAs, der auf dem isolierenden Substrat (1) als magnetoempfindlicher Abschnitt gebildet ist, wobei der dünne InAs-Film (2) durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wird und zwei Schichten (21, 22) aufweist, die im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit verschieden sind, wobei die Scbichten (21, 22) eine Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht (21) mit geringerer Elektronenbeweglichkeit, die dem Substrat (1) benachbart ist, einschließen, wobei die Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator (3) dotiert ist; und

- eine Einrichtiing zum Anlegen eines magnetischen Feldes zum Betreiben des magnetoelektrischen Wandlers.

9. Magnetschalter, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- einen magnetoelektrischen Wandler, der einschließt

- ein isoiierendes Substrat (1) und einen dünnen Film (2) aus InAs, der auf dem isolierenden Substrat (1) als magnetoempfindlicher Abschnitt gebildet ist, wobei der dünne InAs-Film (2) durch epitaxiales Wachstum bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um gebildet wird und zwei Schichten (21, 22) aufweist, die im Hinblick auf die Elektronenbeweglichkeit verschieden sind, wobei die Schichten (21, 22) eine Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit und eine Schicht (21) mit geringerer Elektronenbeweglichkeit, die den Substrat (1) benachbart ist, einschließen, wobei die Schicht (22) mit höherer Elektronenbeweglichkeit mit einem Donator (3) dotiert ist; und außerdem einschließt

- einen Körper aus einem ferromagnetischen Material (10), der auf der Oberseite des magnetoempfindlichen Abschnitts und/oder auf der Unterseite des Substrats angeordnet ist; und

- eine Einrichtung zum Anlegen eines magnetischen Feldes zum Betreiben des magnetoelektrischen Wandlers.

10. Magnetschalter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoelektrische Wandler ein Hall-Element ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines magnetoelektrischen Wandlers, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte umfaßt, daß man

- einen dünnen InAs-Film (2) bis zu einer Dicke von 0,2 bis 1,4 um auf einem isolierenden Substrat (1) durch epitaxiales Wachstum bildet;

- eine eine höhere Elektronenbeweglichkeit aufweisende Schicht (22) des dünnen InAs-Films (2) mit Atomen eines Donators (3) dotiert;

- eine Elektrode auf einem vorbestimmten Abschnitt des dünnen InAs-Films bildet; und

- ein Muster eines magnetoempfindlichen Abschnitts durch Ätzen bildet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß es den Schritt umfaßt, daß man einen Körper eines ferromagnetischen Materials (10) auf wenigstens einer Seite des magnetoempfindlichen Abschnitts anordnet, der aus dem dünnen InAs-Film besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Ausbildens des dünnen InAs-Films (2) durch epitaxiales Wachstum und der Schritt des Dotierens der eine höhere Elektronenbeweglichkeit aufweisenden Schicht (22) des dünnen InAs-Films (2) mit den Atomen des Donators (3) gleichzeitig durchgeführt werden.