JP2011027418A

JP2011027418A - ホール素子

Info

Publication number: JP2011027418A
Application number: JP2009170065A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Fujita; 浩己藤田
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-02-10

Abstract

【課題】感磁面に対して平行な磁場を検出するホール素子において、磁気増幅効果を損なうことなく、小型化および薄型化を実現すること。
【解決手段】ホール素子１００は、感磁面が化合物半導体で構成されたホール素子部１１０と、ホール素子部１１０の感磁面１１１と平行に配置された磁気収束板１２０とを備える。感磁面１１１の幅をＷ、磁気収束板１２０の幅をＡ、長さをＢ、厚みをＤとする。感磁面１１１と磁気収束板１２０との間のギャップをＣとする。磁気増幅率は長さＢに比例しており、アスペクト比Ｂ／Ａが３以上となる形状では磁気増幅率が１．５倍を超え、更にＢを３００μｍとしたＢ／Ａ＝５の場合には磁気増幅率が３倍に達する。また、Ａ／Ｗ＜３を満足するよう磁気収束板１２０の幅Ａを狭めてゆくと、磁束の集中する磁気収束板１２０の側面部が感磁面１１１に近づくため、磁気増幅率の増加が著しい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホール素子に関し、より詳細には、感磁面に対して平行な磁場を検出するホール素子に関する。

ホール素子は、感磁面に対して垂直な磁場に比例した出力を発生する、代表的な磁気センサの一つである。特に、感磁面の材料としてＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ等の高電子移動度を有する化合物半導体を適用することにより、高感度なホール素子を得ることが出来る。

特許文献１は、化合物半導体で構成された感磁面を強磁性基板と強磁性チップとの間に配置して、磁気増幅効果により化合物半導体の有する特性以上の感度を得る方法を開示している。また、特許文献２は、ホール素子の端に磁気収束板を設置することによって、横方向磁場を測定する方法を開示している（図１５参照）。

特開平０９−１９１１４０号公報特開２００５−１９５４２７号公報

旭化成エレクトロニクス株式会社、ＡＳＡＨＩＨａｌｌＥｌｅｍｅｎｔｓ２００７、２００７年

しかしながら、ホール素子の感磁面を強磁性基板と強磁性チップで挟むという特許文献１に記載の構造では、磁気増幅効果を得る目的から強磁性チップの形状が立方体または直方体様となり、必然的に厚くならざるを得ない。また、特許文献２は、単に横方向からの磁束を収束しているだけで、磁気増幅の観点から感度上、十分な特性が得られていなかった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、感磁面に対して平行な磁場を検出するホール素子において、磁気増幅効果を維持しながら、小型化および薄型化を実現することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、感磁面に対して平行な磁場を検出するホール素子において、前記感磁面が化合物半導体で構成されたホール素子部と、前記感磁面と平行に配置された磁気収束板であって、前記感磁面に平行な磁場を前記感磁面に収束する磁気収束板とを備え、前記磁気収束板の幅をＡ、長さをＢとして、３＜Ｂ／Ａを満たすことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記感磁面の幅をＷとして、０．３＜Ａ／Ｗ＜３を満たすことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記磁気収束板が３０Ａ／ｍ以下の保磁力、３０μｍ以下の厚みの軟磁性体であることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１乃至第３のいずれかの態様において、前記感磁面が、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓのいずれかの化合物半導体であることを特徴とする。

本発明によれば、感磁面に平行な磁場を感磁面に収束する磁気収束板を備えるホール素子において磁気収束板の幅をＡ、長さをＢとして３＜Ｂ／Ａを満たすことにより、感磁面に対して平行な磁場を検出するホール素子において、磁気増幅効果を維持しながら、小型化および薄型化を実現することができる。

本発明のホール素子の一実施形態を示す図である（（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図）。（ｃ）及び（ｄ）は水平磁場中における磁気収束板の効果を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、ホール素子部の例示的形状を示す図である。感磁面の中心に対する磁気収束板端の相対位置を変えたときの磁気増幅率のシミュレーション図である。（ａ）及び（ｂ）は、ホール素子部と磁気収束板端の位置関係を示す図である。（ｃ）は各位置での磁気増幅率を示す図である。磁気収束板１２０の長さＢに対する磁気増幅率の依存関係を示す図である。磁気収束板１２０の幅Ａを変えた場合の磁気収束板１２０の長さＢに対する磁気増幅率の依存関係を示す図である。磁気収束板１２０の幅Ａと磁気増幅率の依存関係を示す図である。垂直方向の磁場成分の感磁面における平均値を、Ａ／Ｗに対してプロットした図である。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である（（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図）。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である。本発明のホール素子の作製プロセスを説明するための図である。磁気収束板の両端にホール素子部を配置した場合の本発明のホール素子の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明のホール素子を示す図である。ホール素子１００は、感磁面が化合物半導体で構成されたホール素子部１１０と、ホール素子部１１０の感磁面１１１と平行に配置された磁気収束板１２０とを備える。感磁面１１１の幅をＷ、磁気収束板１２０の幅をＡ、長さをＢ、厚みをＤとする。感磁面１１１と磁気収束板１２０との間のギャップをＣとする。感磁面１１１に平行な磁場中において、ホール素子１１０単体では、図１（ｃ）に示すように感磁面１１１に垂直な磁場成分が無いため、出力が得られないが、図１（ｄ）に示すように、ホール素子１１０上に磁気収束板１２０を形成することにより磁気収束板１２０に磁束が吸収され、特に、磁気収束板１２０の端１２１においては感磁面１１１に垂直方向の磁場成分を強く生じるため、磁場の検出が可能となる。ここで磁気収束板１２０は強磁性体からなり、ヒステリシスを抑えるために、保磁力の小さい軟磁性体であることが望ましい。

ホール素子部１１０の形状は、図１に示すように正方形等の矩形としてもよいし、図２に示すように十字形状にしてもよい。ホール素子部１１０は入力端子１１５及び出力端子１１６を有し、図２の例では上下方向を入力端子、左右方向を出力端子とすることができる。ここで感磁面幅Ｗは、図２（ａ）（ｂ）に示す関係である。

図３は、十字形状のホール素子部について、感磁面の中心に対する磁気収束板端の相対位置を変えたときの磁気増幅率のシミュレーション図であり、図４（ａ）及び（ｂ）は、ホール素子部と磁気収束板端の位置関係を示す図である（収束板は外形を記載）。図４（ｃ）は各位置での磁気増幅率を示す模式図である。図３の横軸は、感磁面の中心に対する磁気収束板端の位置、縦軸は磁気増幅率である。この図は、感磁面幅Ｗ＝３０μｍ、磁気収束板１２０の幅Ａ＝６０μｍ、長さＢ＝３００μｍの場合の例である。感磁面１１１の中心が磁気収束板１２０の端１２１より８〜１０μｍ内側に入った位置で最大の増幅率が得られる。このとき、磁気収束板１２０の位置ずれを考慮すると、磁気収束板端１２１から４〜１２μｍ内側に入った位置が好ましく用いられる。

磁気収束板１２０は、十字形状を持つホール素子部１１０においては十字の交差部分の少なくとも一部を覆う必要があり、感磁面１１１の中心を覆うことがより望ましい。

上述はＷ＝３０μｍの場合であったが、感磁面１１１の幅Ｗが大きくなるほど、感磁面１１１の中心を磁気収束板１２０のより内側に形成することにより、上記交差部分が磁気収束板１２０の外側に出る面積を減らす必要がある。これは磁気収束板１２０の端１２１で、感磁面１１１に垂直な磁場成分が最大になる一方で、外側では急激に小さくなることに起因する。

図５は、磁気収束板１２０の長さＢに対する磁気増幅率の依存関係を示す図である。横軸は磁気収束板１２０のアスペクト比Ｂ／Ａ、縦軸は磁気増幅率である。ここで、感磁面１１１はＩｎＳｂで構成し、Ｗ＝３０μｍとした。磁気収束板１２０はパーマロイで構成し、Ａ＝６０μｍ、Ｄ＝１３μｍとした。ギャップＣは４．７５μｍとした。グラフから分かるように、磁気増幅率は長さＢに比例しており、アスペクト比Ｂ／Ａが３以上となる形状では磁気増幅率が１．５倍を超え、更にＢを３００μｍとしたＢ／Ａ＝５の場合には磁気増幅率が３倍近くに達する。図６は、磁気収束板１２０の幅Ａを変えた場合の磁気収束板１２０の長さＢに対する磁気増幅率の依存関係を示す図である。この図から、磁気増幅率がアスペクト比Ｂ／Ａにほぼ比例していると言える。一方、Ｂ／Ａが高く磁気増幅率が大きいほど早い磁気飽和を示すが、１３μｍのパーマロイを用いた実施例では、アスペクト比Ｂ／Ａ＜１０において２０ｍＴまで磁気飽和無く使用できた。

厚みＤについては、厚みＤが厚い場合、断面方向でみたアスペクト比Ｂ／Ｄが小さくなり、感磁面１１１に対し水平方向でのアスペクト比Ｂ／Ａを高くした効果が弱まる。従って、本発明により高い磁気増幅率を損なうことなく薄型化を実現するためには、厚みＤは収束板幅Ａより小さい（Ｄ＜Ａ）ことが望ましい。更に、測定を行う磁場範囲が決まっている場合には、線形出力の得られる範囲で、厚みＤを薄くすることが望ましい。一方で測定磁場が強い場合、磁気収束板１２０の磁気飽和による出力の線形性悪化が問題となるが、Ｄ＜Ａを満たす範囲で厚みＤを厚くすることで、線形出力の得られる磁場範囲を広げることが可能である。

ギャップＣについては、感磁面１１１に垂直な磁場成分は磁気収束板１２０の近傍でのみ発生するため、感磁面１１１と磁気収束板１２０とのギャップＣはＣ＜１０μｍ以下で好ましく用いられる。一方、Ｃの下限値については、ホール素子部１１０と磁気収束板１２０との絶縁を取るための絶縁膜の厚みの下限値や、磁気収束板１２０がホール素子部１１０に与える応力を緩和するための緩衝層の厚みの下限値により決定され、Ｃ＞１μｍ以上であることが好ましい。

なお、磁気増幅率の測定は以下のように行った。ホール素子１１０の作成後、感磁面１１１に垂直な磁場を印加して感度を測定する。次に磁気収束板を形成し、感磁面に平行な磁場を印加したときの感度を測定する。その後、両者の比をとることで、磁気収束板を形成したことによる感度の増幅率が得られる。

図７は、磁気収束板１２０の幅Ａと磁気増幅率の依存関係を示す図である。横軸は感磁面１１１の幅Ｗに対する磁気収束板１２０の幅Ａの比であり、縦軸は磁気増幅率である。感磁面１１１はＩｎＳｂで構成し、Ｗ＝３０μｍとした。磁気収束板１２０はパーマロイで構成し、Ｂ＝３００μｍ、Ｄ＝１３μｍとした。ギャップＣは４．７５μｍとした。Ａ／Ｗ＜３を満足するよう磁気収束板１２０の幅Ａを狭めてゆくと、磁束の集中する磁気収束板１２０の側面部が感磁面１１１に近づくため、磁気増幅率の増加が著しい。

図８は、ホール素子の感磁部が検出する相対的な磁場強度と、Ａ／Ｗとの関係を示す。
Ａ／Ｗが０．３より小さい時、ホール素子の感磁面が磁気収束板から大きくはみ出すため、有効な磁場強度が大きく減少し、その結果、感度が減少する。従って図７及び図８から、０．３と３．０の範囲のＡ／Ｗが有効な範囲であることが分かる。

以上のように、磁気収束板１２０のアスペクト比Ｂ／Ａと、感磁面１１１の幅Ｗに対する磁気収束板１２０の幅Ａの比を調整することにより、図７に示すように４倍近い磁気増幅率を得ることが出来た。従来技術においては、非特許文献１にあるようにＩｎＳｂを感磁部としたホール素子において、同程度の抵抗値でありながら３〜５倍の感度を有する素子が存在することから、これは特許文献１等に記載の数１００μｍの厚みを有する立方体あるいは直方体の磁性体チップを用いたことによる磁気増幅に起因するものと推察される。つまり、本発明を用いることにより従来技術と同程度の感度を持ちながら、大幅な薄型化および小型化が可能であることを意味する。

また、感磁面１１１を覆う側（図１中の符号１２１で示す側）の磁気収束板幅Ａ（＝Ａ’）を保ちながら、逆側の端における磁気収束板幅Ａ”を広げることで、磁気収束板内部での磁束の集中を低減し、ヒステリシスの影響を軽減することが可能である（Ａ’＝Ａ、Ａ”＞Ａ’）。このときＡ”の端における磁束の吸収量が増え、磁気増幅率の微増を確認することが出来た。なお、本発明における磁気収束板幅Ａとは、磁気収束板１２０が矩形の場合、その短辺Ａを示し、上記の場合ように台形等の矩形と異なる場合には、感磁面１１１を覆う側の磁気収束板端１２１の幅を示す。

次に、図９〜１５を参照して本発明のホール素子の作製プロセスを説明する。以下、具体的な材料、手法等に言及しながら説明するがこれらはあくまで例示であることに留意されたい。まず、ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法を用いてＩｎＳｂ膜を形成し、エッチングによる感磁面形成、保護膜形成、コンタクトホール形成、電極形成を行い、ホール素子部を作製する（図９）。ホール素子部上に絶縁膜（ポリイミド膜）パターンをリソグラフィーにより形成する（図１０）。めっきシード層（電解めっきを実施するための導電層）としてＣｕ／Ｔｉ膜（０．１５μｍのＴｉ膜、０．６μｍのＣｕ膜）をスパッタ法により形成する（図１１）。磁気収束板を形成する部分にリソグラフィーによりレジストパターンを形成する（図１２）。めっき法によりパーマロイからなる５〜３０μｍの磁気収束板を形成する（図１３）。レジストパターンを有機溶剤により剥離する（図１４）。Ｃｕ／Ｔｉ膜を薬液、又はドライエッチングにより剥離する（図１５）。以上から最終的に得られた素子は、０．１５ｍｍ²の面積を有し、厚みは２５０μｍ以下であった。

図１６は、磁気収束板の両端にホール素子部を配置した場合の本発明のホール素子の例を示す。このように２つのホール素子部を配置し、測定を行う磁場の向きを考慮して、入力端子を並列に接続することにより（出力端子を直列に接続）、出力電圧を増すことが出来る。

１００ホール素子
１１０ホール素子部
１１１感磁面
１２０磁気収束板
１２１端

Claims

感磁面に対して平行な磁場を検出するホール素子において、
前記感磁面が化合物半導体で構成されたホール素子部と、
前記感磁面と平行に配置された磁気収束板であって、前記感磁面に平行な磁場を前記感磁面に収束する磁気収束板と
を備え、
前記磁気収束板の幅をＡ、長さをＢとして、３＜Ｂ／Ａを満たすことを特徴とするホール素子。
請求項１に記載のホール素子において、
前記感磁面の幅をＷとして、０．３＜Ａ／Ｗ＜３を満たすことを特徴とするホール素子。
請求項１又は２に記載のホール素子において、前記磁気収束板が３０Ａ／ｍ以下の保磁力、３０μｍ以下の厚みの軟磁性体であることを特徴とするホール素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載のホール素子において、前記感磁面が、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓのいずれかの化合物半導体であることを特徴とするホール素子。