JP2007534147A - 磁場を検出するための装置及びそれに関連する検出方法 - Google Patents

Abstract

磁場を検出するための装置であって、
硬磁性材料からなる少なくとも１つの素子（１２）と、半導体材料（１１）からなる素子に関連する軟磁性材料からなる素子（１３）と、上記半導体材料（１１）中に電流（Ｉ）を強制的に流すための手段（１５；４５）を備えるタイプの装置において、
上記硬磁性材料からなる素子及び上記軟磁性材料からなる素子が、上記半導体材料からなる素子（１１）上に平行に配置されていることを特徴する磁気検出装置。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、磁場を検出する装置であって、半導体材料からなる素子に接続された、硬磁性材料からなる素子及び軟磁性材料からなる素子と、上記半導体材料に電流を強制的に流すための手段と、を備えるタイプの装置に関する。

従来技術において、磁場を検出するため、磁気抵抗センサ、例えば電流が通過することに対する装置の抵抗が、それらの装置が受ける磁場の変化によって変わるような装置が利用されている。特にＡＭＲ（異方性磁気抵抗）と呼ばれる磁気センサが知られている。それらの装置は、通常、シリコンウエハ上に形成され、さらに抵抗を有するストリップ体の形態で成形された鉄ニッケルの薄膜（パーマロイ）により得られる。

外部磁場を加えることにより、このパーマロイ中の磁化の方向の変化を決定することができ、抵抗を有するストリップ体中を流れる電流に対して平行ではなくすることができ、それにより抵抗を増加させることができる。上記ＡＭＲセンサは、磁場の存在下において、それらの抵抗を２〜３％変化させる。抵抗における変化を効果的に評価するため、ＡＭＲセンサはホイートストーンブリッジを形成するように配置されている。

しかし、抵抗の変化は、磁気抵抗効果の発現に関連するが、この磁気抵抗効果は、限られた量の、パーマロイと同様の材料中にしか存在しない。

さらに、そのようなセンサは、積層及び小型化するのは容易ではなく、さらに高価なプロセスを伴う。

また、いわゆる「スピンバルブ」タイプの磁気装置が知られている。この磁気装置は、簡略化された実施の形態では、水平な積層体が設けられ、この層中の、硬磁性材料からなる層と軟磁性材料からなる層との間に、誘電体材料若しくは伝導性材料からなるスペーサ層が配置されている。このスピンバルブは、磁場が、硬磁性材料からなる層の磁化と反対方向に加えられた場合、電気伝導性において急激な減少が見られる。

しかし、上記スピンバルブ装置は、製造するのに複雑な構造を有する。

よって、本発明は、改善された感度を有することができ、さらに、単純なプロセスにより、コストを削減して、より簡単に積層することができる、磁気検出装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記目的は、以下の特許請求の範囲において特に記載した特性を有する磁気検出装置、及びそれに対応する検出方法により達成することができる。

本発明を、添付の図面を参照しながら説明する。この図面は、具体例によってのみ与えられるが、これらの具体例に限定されるものではない。

図１Ａは、磁気検出装置を示している。全体を通して、この磁気検出装置を参照番号１０により示している。上記装置１０は、半導体材料、例えばシリコンからなる基板１１を備える。ニッケル鉄コバルト、若しくは希土類合金等の硬フェロ磁性材料からなる第１のストリップ体１２が、上記の半導体からなる基板１１上に形成されている。上記第１ストリップ体１２は、長い平行六面体の形状を有し、上記第１ストリップ体に永久磁化が加わっている。この永久磁化は、図１Ａ中においてベクトルＭＰにより表している。また、第２ストリップ体１３が、上記第１ストリップ体１２の短い側面に沿って対向するように配置されている。この第２ストリップ体１３は、長い平行六面体の形状を有し、鉄若しくはパーマロイ等の軟フェロ磁性材料からなる。

そして、上記第１ストリップ体１２と第２ストリップ体１３は、それらの間において、基板１１の領域１４を規定する。この領域１４により、それらのストリップ体は互いに離間されている。

図１Ａに示すようにＩで示されるような電流が、第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３に取り付けられた電極１５を用いて強制的に流されている。この電流Ｉの通路は、半導体基板１１の領域１４に含まれる。電流Ｉの発生装置及び回路の抵抗（不図示）における変化を測定するための手段が、端子１５に接続される。

図１Ａは、装置１０の第１作動状態を示している。この状態において、外部磁場Ｈは、永久磁化の方向、さらに半導体基板１１における電流Ｉの向きと平行にまた一致するように加えられる。

上記外部磁場Ｈが、硬磁性材料１２からなる第１ストリップ体１２の磁化の方向若しくは向きと平行にまた一致するように加えられるとき、領域１４の電気抵抗は小さい。

外部磁場Ｈが、図１Ｂに示すように反対の方向を有し、さらに永久磁化ＭＰに対して反対の方向を有する一時磁化ＭＴが、軟磁性材料１３からなる第２ストリップ体１３において誘導されるとき、この装置１０は最も大きな電気抵抗を有する。図１Ｂに示すように、磁場Ｈを逆平行とすることにより、磁力線が領域１４の周りの領域に拡がり、半導体基板１１の移動度に影響を与え、それにより全抵抗値を増加させる。

上記効果は、超表面的である。即ち通常その効果は１００ナノメートルの厚さの層に含まれ、二次元の電子ガスとみなすことができる。このため、二次元的な縁を有するヘテロ構造の形態で基板１１を作製し、磁気検出装置１０の感度特性を改善することができる。

それぞれのエピタキシャル層において、その化学量論的な組成が連続的に変化するＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓベースのヘテロ構造を使用しても良い。例えば、ＧａＡｓ層を形成することにより開始し、その成長の間ＡｌＧａＡｓの所望の最終化学量論的組成に達するまで、Ａｌの濃度を増加させながら重ね合わせても良い。また、このＡｓ及びＧａの化学量論比率を成長の間変化させても良い。

図１Ａ及び図１Ｂに示したような磁気検出装置１０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＳｂ、Ｈｇ（Ｃｄ）Ｔｅ、ＩｎＡｓ、ＴｉＣ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＮ、若しくはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ構造のような半導体材料、若しくは上記半導体材料と少なくとも１つの金属元素からなる金属部分のコンビネーションにより構成される基板１１を備える。本発明の好ましい実施の形態では、ＩｎＳｂ等の電気移動度が高い半導体を使用する。

基板１１を構成する半導体を、連続的若しくはパルス的電気法、電気化学的方法、単純な降下法、遠心分離法、熱蒸着法若しくは電子ビーム法、単なるスパッタリング若しくはマグネトロンスパッタリング、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ若しくはセリグラフィにより、他の如何なる基板、例えばシリコン若しくはガラス基板上に積層しても良い。

また、この半導体基板１１の膜厚を１ナノメートルから数百マイクロメートルまで変化させてもよい。

この半導体基板１１上において、硬磁性材料の第１ストリップ体はＣｏＮｉ８０Ｆｅ２０等の硬磁性合金により形成されていても良く、一方上記軟磁性材料の第２ストリップ体１３は、具体的にはパーマロイにより形成されていても良い。当業者であれば、それぞれ硬磁性的挙動、若しくは軟磁性的挙動を示す他の多くの材料、例えば異なる化学量論組成物Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを有するか、若しくは希土類元素を有するフェロ磁性合金等を変更して使用することができるのは明らかである。これらの材料を、連続的若しくはパルス的な電気法、電気化学法、単純な降下法、遠心分離法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、単なるスパッタリング若しくはマグネトロンスパッタリング、ＣＶＤ若しくはＰＥＣＶＤによりすることができる。

図２は、図１Ａ及び図１Ｂに示した装置１０を変形した磁気検出装置２０を示している。この磁気検出装置２０では、第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３を、金属の層を合金として若しくは層のサンドイッチ状体として多層することにより得ることができる。さらに、半導体の領域１４の代わりにポリマー層２４が存在する。このポリマー層２４には金属性の元素若しくは半導体元素のクラスターが組み込まれている。このポリマーは、絶縁性であっても、複合型であっても、若しくは伝導体であっても、又は光放出装置であってもよい。この金属クラスターは、連続的若しくはパルス的電気法、電気化学法、単純な降下法、遠心分離法、熱蒸着法若しくは電子ビーム蒸着法、単なるスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ法を用いて、またクラスターの形成及び制御積層のための他の装置により、ポリマー層２４中に組み込むことなく、図１Ａ及び１Ｂに示した領域１４上に直接金属クラスターを形成しても良い。

装置１０及び２０の製造方法において、フォトリソグラフィ技術を使用して、若しくは電子ビーム若しくはイオンビームにより、上記第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３を幾何学的に規定することができる。

上記第１ストリップ体１２と第２ストリップ体１３とを、数Åから数百ナノメートルまで変化しうる距離だけ離間していなければならない。

金属性ストリップ体の膜厚及び幅長等の大きさを、１ナノメートルから数百マイクロメートルまで変化させても良い。

可能な実施の形態では、永久磁化により、若しくは上記ストリップ体を直交する２つの軌道上に電流を通過させることにより、第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３の磁化の状態を誘導することができる。上記第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３等の金属性ストリップ体を磁化するための上記電気的軌道を、上記ストリップ体上にフォトリソグラフィにより設けることができる。上記金属性ストリップ体を磁化するための電気的軌道を上記金属性ストリップ体から電気的に絶縁する。

金属性ストリップ体と磁化軌道との間の電気的絶縁は、例えば酸化物若しくはセラミック材料などの電気的絶縁性材料の層を形成することにより得ることができる。

可能性として考えられる別の実施の形態における上記第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３を半導体基板１１にエッチングすることにより、２つのウィンドウダグに形成することができる。フォトリソグラフィにより、電子ビーム若しくはイオンビーム又はナノプリンティングによりエッチングプロセスを実行することができる。

図３は、本発明に係る装置の別の実施の形態に係る磁気検出装置３０を示している。

上記半導体基板１１上に形成された上述の装置３０は、硬フェロ磁性材料からなる２つの第１ストリップ体３２からなり、上記２つの第１ストリップ体３２は、軟フェロ磁性材料からなる第２ストリップ体３３により分離されている。そのため、上記２つの第１ストリップ体３３と第２ストリップ体３４との間に、接続されていない基板１１の２つの領域３４が規定されている。

上記第２ストリップ体３３は、絶縁性の小板（platelet）からなり、上記小板には外部磁場に対する感知素子が設けられ、さらに幾何学的形状及び大きさを有する。上記装置の感度は、上記小板若しくは第２ストリップ体３３の幾何学的パラメータに依存する。

図４は、本発明に係る装置のさらに別の実施の形態に係る磁気検出装置４０を示す。この磁気検出装置４０では、磁化の軸に対して垂直の方向に電流が流れる。そのために、電流Ｉを基板１１に流すための電極４５が、第１ストリップ体１２及び第２ストリップ体１３により規定される軸に対して直交する軸に沿って、形成されている。

上述の解決手段により、従来の技術の解決方法に対して非常に有利な効果を得ることができる。

水平配列を使用して、本発明の装置は、それ程高価でない技術により簡単に作製することができ、一方高い感度を得ることができる。

当然、本発明の原則を変えることなく、本発明の技術的範囲から離れることなく、本明細書の具体例のみにより記載され例示されたものから幅広く設計の詳細及び実施に形態を変更することができる。

半導体材料からなる素子に接続された、硬磁性材料からなる素子及び軟磁性材料からなる素子、さらに上記半導体材料中に電流を強制的に流すための手段を備える磁気検出装置であって、上記の硬磁性材料からなる素子、及び軟磁性材料からなる素子が、上記半導体材料からなる素子上に平面的に配置されたことを特徴とする磁気検出装置を、磁気センサ若しくは磁気スイッチとして、若しくは電磁波センサ、電磁波エミッタ、光電池、又は熱光電池として使用することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、線図の形式で、本発明に係る磁気検出装置の異なる２つの状態を示している。 図２は、線図の形式で、図１Ａ及び図１Ｂの磁気検出装置の別の実施の形態を示している。 図３は、線図の形式で、図１Ａ及び図１Ｂの磁気検出装置の第１の実施の形態を示している。 図４は、線図の形式で、図１Ａ及び図１Ｂの磁気検出装置の第２の実施の形態を示している。 図５は、線図の形式で、図１Ａ及び図１Ｂの磁気検出装置の第３の実施の形態を示している。

Claims (13)

1. 磁場を検出するための装置であって、
   半導体材料（１１）からなる素子に接続された、硬磁性材料からなる少なくとも１つの素子（１２）及び軟磁性材料からなる素子（１３）と、上記半導体材料（１１）に電流（Ｉ）を強制的に流すための手段（１５；４５）とを備えるタイプの装置において、
   上記硬磁性材料からなる素子及び上記軟磁性材料からなる素子が、上記半導体材料からなる素子（１１）上に平面的に配置されていることを特徴する磁気検出装置。
2. 上記硬磁性材料からなる素子（１２）が、上記軟磁性材料からなる素子（１３）に対して離間され、半導体材料の領域（１４；２４；３４）が規定されていることを特徴とする請求項１記載の磁気検出装置。
3. 上記半導体材料の領域（２４）が、金属元素若しくは半導体元素のクラスターが組み込まれたポリマー性材料を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気検出装置。
4. 上記ポリマー性材料が、上記基板（１１）の半導体材料領域（２４）上に形成されていることを特徴とする請求項３記載の磁気検出装置。
5. 硬磁性材料からなる少なくとも２つの素子（１２）を備え、
   上記硬磁性材料からなる素子（１２）が、軟磁性材料からなる素子（１３）の周囲に配置され、さらに少なくとも２つの半導体材料の領域（３４）を規定することを特徴とする請求項２記載の磁気検出装置。
6. 上記硬磁性材料からなる素子（１２）及び／又は上記軟磁性材料からなる素子（１３）が、複数の層を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁気検出装置。
7. 上記硬磁性材料からなる少なくとも１つの素子（１２）、及び軟磁性材料からなる１つの素子（１３）が、上記半導体基板（１１）をエッチングすることにより、ウィンドウダグに形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁気検出装置。
8. 上記半導体材料（１１）に電流（Ｉ）を強制的に流すための手段（１５；４５）が金属端子を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の磁気検出装置。
9. 上記金属端子（４５）が、上記の硬磁性材料からなる少なくとも１つの素子（１２）及び軟磁性材料からなる１つの素子（１３）により規定される軸に対して実質的に垂直に配置されることを特徴とする請求項８記載の磁気検出装置。
10. 上記硬磁性材料からなる少なくとも１つの素子（１２）が、硬フェロ磁性合金、特にＣｏＮｉ８０Ｆｅ２０を含み、上記軟磁性材料からなる素子（１３）がパーマロイを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の磁気検出装置。
11. 上記基板（１１）が、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＳｂ、Ｈｇ（Ｃｄ）Ｔｅ、ＩｎＡｓ、ＴｉＣ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＰ、及びＧａＮからなる群から選択される少なくとも１つの半導体から得られることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気検出装置。
12. 上記基板（１１）が、２次元的な縁部を有するヘテロ構造、特にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造の形態で得られることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の磁気検出装置。
13. 永久磁化（ＭＰ）に関連する硬磁性材料からなる少なくとも１つの素子（１２）、及び外部磁場（Ｈ）により誘導される一時磁化（ＭＴ）に関連する軟磁性材料からなる１つの素子（１３）を設けるタイプの磁気検出方法において、
    硬磁性材料からなる素子（１２）及び軟磁性材料からなる素子（１３）を、上記一時磁化（ＭＴ）と永久磁化（ＭＰ）のそれぞれが、実質的に１つの平面上に存在するように配置する工程と、
    上記硬磁性材料からなる素子（１２）と軟磁性材料からなる素子（１３）との間に配置された、上記平面内の半導体材料領域（１４）に、電流（Ｉ）を強制的に流す工程と、
    外部磁場（Ｈ）により概算される値に従って、上記半導体材料領域（１４）における抵抗値を測定する工程とを含むことを特徴とする磁気検出方法。
    

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