JP2006080338A

JP2006080338A - 高温用磁気センサ

Info

Publication number: JP2006080338A
Application number: JP2004263553A
Authority: JP
Inventors: Adarsh Sandhu; アダルシュサンドゥー
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】高温条件下においても十分な感度が得られるような高温用の磁気センサを提供する。
【解決手段】２００℃〜６００℃程度の高温で磁界を高精度に測定するための磁気センサは、ＩＩＩ族窒化物半導体層と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層とヘテロ接合を構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層とを有する。ここで、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層のＡｌ組成（ｘ）は、０．３よりも大きく、０．５以下、好ましくは０．４とする。ＩＩＩ族窒化物半導体層には、例えばＧａＮが利用可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温で磁界を測定するための磁気センサに関し、特に、ＩＩＩ族窒化物半導体層とＡｌＧａＮ層とを用いた高温用磁気センサに関する。

鉄・コバルト・ニッケル等の強磁性体を加熱するとその強磁性が消失して常磁性体になる温度であるキューリ点を測定する場合、一般的には振動試料型磁力計（ＶＳＭ）というものを用いる。ＶＳＭは、通常の電磁石により磁界を発生させて、均一磁界中に設置した小型試料を一定振幅、一定周波数にて振動させることで、試料の磁化の程度を検出コイルに誘起する磁気誘導電圧として取り込み、磁性を測定する装置である。これは温度を変化させながらの測定も可能なため、温度を上昇させていき、磁性が完全になくなった温度を求めることで、キューリ点も測定できるものである。

しかしながら、ＶＳＭは複雑な構造であるため、装置が大型化し高価であった。そこで、安価でシンプルな構造の磁気センサでキューリ点を測定できる装置の開発が望まれている。

また、自動車のエンジン付近や宇宙空間での磁気センサのように、高温条件下で利用する磁気センサの需要も高まっている。

ここで、磁気センサには、ホール素子や磁気抵抗効果素子を用いたものもある。ホール素子とは、半導体のホール効果を利用して磁界を検出するもので、磁気抵抗効果素子は、導体の磁気抵抗効果を利用して磁界を検出するものである。一般的には、感度の面等から、ホール素子のほうが広く用いられている。なお、ホール効果とは直方体の物体に電流を加えその電流と垂直方向に磁界を加えると電流の流れている方向と磁界の方向のそれぞれの垂直方向に電圧が発生する現象をいう。

現在一般的に用いられているホール素子は、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）やＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）からなる動作層を有するものである。また、特許文献１に開示のように、ホール素子の動作層を構成する材料として、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等のような化合物半導体、あるいはＧａＮ／ＡｌＧａＮのようなヘテロ接合構造を用いたものもある。

特開２００３−０６０２５５号公報（第５−７頁、第１図）

現在一般的に用いられているＧａＡｓやＩｎＳｂからなるホール素子は、バンドギャップが小さいため、高温条件下では使用することができなかった。例えば、代表的なＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石用粉末等は、そのキューリ点が３００℃前後である。このような試料のキューリ点を求めようとしても、ＧａＡｓやＩｎＳｂからなるホール素子は、高温条件下では動作しなかったため、キューリ温度を測定するのにホール素子からなる磁気センサは使用できず、効果で大掛かりなＶＳＭを用いるしかなかった。

また、特許文献１に記載のホール素子は、高耐熱性を狙ったものであるが、２００℃程度までの動作の結果の開示はあるが、このような構成では、３００℃程度以上の高温になると、ホール素子が機能しなかったり十分な出力が得られなくなったりしていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、６００℃程度、好ましくは８００℃程度の高温条件下においても十分な感度が得られるような高温用の磁気センサを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による高温用磁気センサは、ＩＩＩ族窒化物半導体層と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層とヘテロ接合を構成し、Ａｌ組成（ｘ）が０．３よりも大きく、０．５以下であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と、を具備するものである。

ここで、Ａｌ組成（ｘ）は、０．４であるとより好ましい。

また、磁気センサの動作温度範囲は、０℃〜８００℃であれば良いが、２００℃〜６００℃であればより好ましい。

さらに、ＩＩＩ族窒化物半導体層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層との間に、ＡｌＮ薄膜層を設けても良い。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体層は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＧａＡｌＮからなる群から選択されるものからなるものであれば良い。

さらに、磁気センサは、複数アレイ状に構成されても良い。

磁気センサは、ホール素子磁気センサであれば良い。また、磁気抵抗効果素子磁気センサであっても良い。

本発明の高温用磁気センサには、高温条件下でも動作し、且つ十分な感度が得られるという利点がある。本発明の磁気センサの動作層に用いられる半導体材料の電子移動度の温度依存性は極めて小さく、一方で電子移動度の値としては適当なレベルが保たれるため、従来のＳｉやＩｎＳｂ、ＧａＡｓを用いたホール素子等と比べても、実用的な感度を保ちつつ、高温環境化においても動作可能であるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の第１実施例の磁気センサの動作層の横断面図である。図示のように、サファイア等からなる絶縁基板１上に、厚さ例えば約９００ｎｍ程度のＧａＮ（窒化ガリウム）層２を化学気相堆積法等により堆積する。

ここで、ＧａＮとは、ＩＩＩ族窒化物半導体の一つであり、近年、これによる高効率青色、緑色、白色発光ダイオードが実用化され、脚光を浴びている材料である。ＧａＮは、絶縁破壊電圧が大きく、砒素フリーであることから、耐熱、耐極端環境素子として有用な材料であり、バンドギャップが３．４ｅＶと大きいことや、絶縁破壊電界が大きいこと等、優れた物理的、化学的性質を有する。なお、以下の説明では基本的にＩＩＩ族窒化物半導体層としてＧａＮ層を用いた例を中心に説明するが、本発明はこれに限定されず、ＩＩＩ族窒化物半導体層はＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＧａＡｌＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等のいずれからなるものであっても良い。

次に、ＧａＮ層２の上に、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）層３を例えば厚さ約３０ｎｍ程度堆積する。これにより、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合が構成される。ここで、ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成、すなわち、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成（ｘ）は、０．３よりも大きく、０．５以下であることが好ましい（０．３は含まず、それよりも大きく、０．５を含みそれ以下のもの）。より好ましくは、Ａｌ組成（ｘ）は０．４である。

なお、例えば、ＧａＮ上にＡｌＧａＮを成長させると、弾性限界以下ではＡｌＧａＮの平面内格子定数はＧａＮのそれに合わせて成長するため、ＡｌＧａＮの中に２軸性引っ張り歪が内在する。ＩＩＩ族窒化物は強い圧電性を示すため、この歪によりＡｌＧａＮ中に強い圧電電界が生ずる。それにより、ＧａＮとＡｌＧａＮの界面部分に高密度の２次元電子ガスが形成され、これを利用することにより高移動度な半導体を材料にした電子デバイスが作成可能となる。

このように構成された動作層を有するホール素子を、図２に示す。図２は、一般的なホール素子の上面外略図であり、本発明の磁気センサも、例えば図示のようなホール素子構造を採用する。なお、本発明の磁気センサはホール素子磁気センサに限らず、上述のような構成の動作層を有する磁気抵抗効果素子磁気センサであっても良い。ＧａＮ／ＡｌＧａＮのヘテロ接合によって、より大きな出力信号を得ることが可能となる。

なお、ホール素子の外部電極には、高温条件でも溶融しない材料を用いることが好ましい。アルミニウムの場合、その融点が６５９℃であるため、例えば８００℃の温度条件でホール素子を用いようとした場合、ホール素子よりも先に電極の機能を果たさなくなってしまう。したがって、チタン（融点１６６０℃）やモリブデン（融点２５００℃）等の高融点材料を用いてオーミック電極等の電極を設けることが好ましい。

ここで、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのＡｌ組成（ｘ）を、ｘ＝０．２５、ｘ＝０．３０、ｘ＝０．３５、ｘ＝０．４０として各ホール素子磁気センサを作成した場合の、温度に対する各センサの最小検出可能磁界（Ｂ_ｍｉｎ）の変化グラフを、図３に示す。最小検出可能磁界とは、ホール素子の検出電圧のＳ／Ｎ比が１となるときの磁界、すなわち、検出可能な最小Ｓ／Ｎ比となる磁界である。なお、測定を行ったホール素子の寸法は、約５０μｍ×５０μｍのものである。また、図３には載せていないが、１００μｍ×１００μｍ、１０μｍ×１０μｍ、５μｍ×５μｍの各寸法のホール素子もそれぞれ作成し、８００℃まで同様に動作したことを確認した。

図３に表されるように、０℃〜２００℃の範囲では、いずれのＡｌ組成（ｘ）であっても、非常に低い最小検出可能磁界が得られることが分かる。しかしながら、３００℃を超えた辺りから各Ａｌ組成（ｘ）によって最小検出可能磁界に差が見られるようになり、４００℃を超えると、ｘ＝０．２５とｘ＝０．３０のＡｌ組成のホール素子は動作しなくなった。ところが、Ａｌ組成が０．３よりも大きい０．３５の場合、６００℃でも最小検出可能磁界が約１１［Ｇ］程度であるが、十分に動作していた。さらに、Ａｌ組成が０．４の場合には、６００℃における最小検出可能磁界が約５［Ｇ］程度と、良好な結果が得られた。なお、Ａｌ組成を０．５よりも大きくすると、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の界面の電子密度が非常に大きくなり、２次元的な電子層が３次元的な電子層となってしまい、ホール素子の高温動作が不安定になったり動作不能となったりすることがあった。

したがって、上述の結果より、本発明の磁気センサにおいては、Ａｌ組成は好ましくは０．３よりも大きく、０．５以下である。さらにより好ましくは、Ａｌ組成は０．４である。Ａｌ組成をこのような範囲とすることで、熱励起による電子がＡｌＧａＮの障壁を越えにくくなり、高温環境下でも動作するようになるのである。なお、熱励起による電子がＡｌＧａＮの障壁を越えると、素子は動作しなくなる。このように、本発明の磁気センサでは、０℃〜８００℃までの広範囲な温度環境における動作が可能であり、従来のＩＩＩ族窒化物半導体層を用いた磁気センサに比べて、特に２００℃以上で顕著な効果が得られるものである。８００℃でも勿論動作可能であるが、温度に対する最小検出可能磁界の結果からは、６００℃程度までの範囲であれば、好ましい動作をするものである。なお、０℃以下の温度条件でも勿論動作は可能であり、本発明は動作温度範囲が極めて広いものである。

次に、熱励起による電子がＡｌＧａＮの障壁をさらに越えにくくなるような構成とした本発明の第２実施例の磁気センサを説明する。第２実施例の磁気センサは、上記の第１実施例の磁気センサのＧａＮとＡｌＧａＮのヘテロ構造に対して、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の間に、さらにＡｌＮ薄膜層を設けたものである。ＡｌＮ薄膜層の膜厚は、例えば約１ｎｍ程度である。この層を設けることによって、より高い障壁を得られるようになる。したがって、高温条件下における動作の安定性がより向上する。

さらに、本発明の磁気センサを複数アレイ状に構成することも可能である。図４は、本発明の磁気センサを複数アレイ状に構成した第３実施例を説明するための上面図である。図示のように、一つの電流源で複数の磁気センサを駆動させ、個々の磁気センサからの出力電圧を計測することが可能である。このような構成によれば、例えば複数の試料のキューリ点を一括して一度にそれぞれ測定することが可能となる。このようなことは、従来の振動試料型磁力計では不可能であったが、本発明の磁気センサによれば、シンプルな構成で且つ高温環境下においても動作可能であるため、複数の試料を同時に測定することが可能となる。なお、図示例では磁気センサを一列に並べた構造の例を示したが、本発明はこれに限定されず、マトリックス状に複数配列しても構わない。マトリックス状にすることで、例えばウェーハ上の磁気を測定する場合等に、ウェーハ全面にわたって多数のポイントを一度に測定可能となる。

なお、本発明の高温用磁気センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記の説明で示したセンサの膜厚やサイズは、あくまでも一例としての例示であり、これらの膜厚やサイズに限定されるものではない。また、磁気センサの用途も、上記の説明に限定されるものではなく、バイオセンサ等、磁気を測定するためのあらゆるセンサに応用可能である。

図１は、本発明の第１実施例の磁気センサの動作層の横断面図である。図２は、本発明のホール素子磁気センサの構造を説明するための上面図である。図３は、本発明の磁気センサの、各Ａｌ組成における温度に対する最小検出可能磁界の変化を説明するためのグラフである。図４は、本発明の磁気センサをアレイ状に構成した構造を説明するための上面図である。

符号の説明

１絶縁基板
２ＧａＮ層
３ＡｌＧａＮ層

Claims

高温で磁界を測定する磁気センサであって、該磁気センサは、
ＩＩＩ族窒化物半導体層と、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層とヘテロ接合を構成し、Ａｌ組成（ｘ）が０．３よりも大きく、０．５以下であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と、
を具備することを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１に記載の高温用磁気センサにおいて、前記Ａｌ組成（ｘ）は、０．４であることを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１又は請求項２に記載の高温用磁気センサにおいて、前記磁気センサの動作温度範囲は、０℃〜８００℃であることを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の高温用磁気センサにおいて、前記磁気センサの動作温度範囲は、２００℃〜６００℃であることを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の高温用磁気センサにおいて、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層との間に、さらにＡｌＮ薄膜層を具備することを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の高温用磁気センサにおいて、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＧａＡｌＮからなる群から選択されるものからなることを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の高温用磁気センサにおいて、前記磁気センサは、複数アレイ状に構成されることを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の高温用磁気センサにおいて、前記磁気センサは、ホール素子磁気センサであることを特徴とする高温用磁気センサ。
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の高温用磁気センサにおいて、前記磁気センサは、磁気抵抗効果素子磁気センサであることを特徴とする高温用磁気センサ。