JP2754599B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2754599B2 JP63251395A JP25139588A JP2754599B2 JP 2754599 B2 JP2754599 B2 JP 2754599B2 JP 63251395 A JP63251395 A JP 63251395A JP 25139588 A JP25139588 A JP 25139588A JP 2754599 B2 JP2754599 B2 JP 2754599B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ホール素子を有する半導体装置に関するも
のであり、特に半導体基板上に形成されてその基板と異
なるIII−V族化合物半導体よりなるホール素子を有す
る半導体装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、例えばシリコン基板(以下Si基板と称す。)上
に、この基板と異なるIII−V族化合物半導体の1種で
ある砒化ガリウム(以下GaAsと称す。)を成長させた場
合、GaAs層とSi基板との格子不整合及び熱膨張係数の相
違により、GaAs層とSi基板との界面からGaAs層側に多数
の転位が発生してしまうという問題が生じていた。そこ
で、GaAs層近傍の移動度を調べた結果、GaAs層の移動度
が非常に悪いことを見出した。
これに対して、GaAs層の膜厚を厚くすることによって
GaAs層の結晶性を向上させ、GaAs層近傍の移動度を良好
にする方法が考えられる。
しかし、GaAs層の膜厚を厚くしたホール素子であって
も、十分なホール起電力を得ることができなかった。
〔発明が解決しようとする課題〕
そこで本発明は、半導体基板上に、この基板と異なる
III−V族化合物よりなるホール素子において、十分な
ホール起電力を得ることができるホール素子を提供する
ことを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
そこで本発明者らは、半導体基板と異なるIII−V族
よりなるホール素子において、十分なホール起電力が得
ることのできない原因を探究した。
そのため、P−Si基板上に直接エピタキシャル成長さ
せたn−GaAs層のキャリア密度のSiとの界面からの距離
に対する関係を測定した。その結果を第5図に示す。こ
のことから、n−GaAs層のキャリア密度はSiとの界面近
傍で1×1019cm-3と最大であり、界面からn−GaAs層側
に0.75μmのところで表面近傍と同じ4×1016cm-3があ
ることが分かる。したがって、n−GaAs層のキャリア密
度がSiとの界面近傍で表面近傍に比べて2桁程度高い高
キャリア濃度層が形成されている。
この高キャリア濃度層の存在は、ホール素子におい
て、次のような問題を生じさせる。
その問題を第6図のホール素子の等価回路図を用いて
説明する。
第6図において、VHはホール素子の出力電圧を示し、
μ1,R1は出力電極間の表面近傍である動作層のホール移
動度および抵抗を、またμ2,R2はGaAs層とSi基板との界
面近傍である高キャリア濃度層のホール移動度および抵
抗を示す。
このとき、ホール起電力VHは、閉回路中に流れる電流
をiとすると、 kμ−kμ=(R1+R2)i ……(1) VH−kμ=−iR1 ……(2) より、 と示すことができる。ここでkは比例定数である。
さらに、Si基板上にGaAs層よりなるホール素子を形成
した場合には、動作層の移動度μの方が高キャリア濃
度層の移動度μよりも大きい。さらに、界面近傍では
n型の高キャリア濃度となっているので、抵抗R2はR1
りも小さくなる。
よって、(3)式において、 は正の値であるので、n型の高キャリア層が形成される
ことにより、全体のホール起電力VHが、本来動作層のみ
で得られるホール電圧であるkμよりも だけ低くなってしまい、十分なホール起電力を得ること
が困難であった。
そこで、本発明では、半導体基板(20)と、 該半導体基板内に各々素子間分離されて形成された複
数の半導体領域(25)と、前記半導体領域のうちの一つ
の半導体領域に形成された電気回路(31、32、33)と、
前記半導体領域のうちの他の半導体領域(22)に形成さ
れ、前記電気回路に形成されたホール素子(10)とを備
える半導体装置であって、 前記ホール素子は、 前記他の半導体領域上に形成され、前記半導体基板と
は異なるIII−V族化合物半導体からなるバッファ層(1
4)と、 該バッファ層上に形成され、第1導電型(n)を有す
るとともに、前記半導体基板とは異なるIII−V族化合
物半導体からなり、ホール起電力を発生させる動作層
(16)と、 前記バッファ層と前記動作層との間に少なくとも前記
動作層に接して形成され 前記動作層と同じIII−V族化合物半導体からなり、
第2導電型を有して前記動作層との間でPN接合を構成
し、前記動作層と前記バッファ層との間で流れる電流を
当該PN接合による障壁で抑制する障壁層(15)と を備えることを特徴としている。
〔作用〕
上記ホール素子を用いることによって、高キャリア濃
度層への電流の流入を障壁層にて防いでいるので、高キ
ャリア濃度層のコンダクタンスG2を無限に大きくするこ
とができる。また、動作層とこの動作層に接する障壁層
とが同じ格子定数を有するから、動作層と障壁層との間
の界面準位を低減できる。これにより、この界面付近で
の抵抗を低減できる。これら2つの作用により、(3)
式より明らかなように、ホール素子の出力電圧VHをkμ
に限りなく近づけさせることができ、ホール素子の本
来得ることのできるホール起電力を十分得ることができ
る。
〔第1実施例〕 ホールIC1の回路構成は、第1図に示すように、定電
圧電源回路30とホール素子部10と波形整形回路40とで構
成されている。そして、ホール素子部10は砒化ガリウム
(GaAs)から成る磁気検出層11と電流電極28a,28bと出
力電極29a,29bとを有しており、定電圧電源回路30から
電流電極28a,28bを介してGaAs層からなる電極検出層11
に給電され、検出された磁気量に応じた検出信号が出力
電極29a,29bを介して波形整形回路40に出力される。
又、ホールIC1の定電圧電源回路30にはバッテリー2か
ら給電され、検出された信号はホールIC1の波形整形回
路40から電子制御装置3に出力される。
ホールIC1の断面構造は第2図に示されている。
P−Si基板20上にホールIC1が形成されるのである
が、通常のSiICの製造技術により定電圧電源回路30と波
形整形回路40とが製造される。
即ち、P−Si基板20の表面に埋込み拡散によりN+埋込
層24が形成され、その後P−Si基板20の表面にN-−Siを
エピタキシャル成長させ、素子間分離のためそのエピタ
キシャル層に局所的にP型不純物を拡散して、島状のN-
−Si層25と分離層P−Si層22とが形成される。その後、
作成する素子に応じて、島状のN-−Si層25にP型、N型
の不純物を拡散して、定電圧電源回路30又は波形整形回
路40を構成する素子のPNPトランジスタ31、NPNトランジ
スタ32、MOS容量33等が形成される。尚、34はSiO2から
成る保護膜であり、35はA1電極である。
次に、ホール素子部10の構成について説明する。
ここで、P−Si基板20には、その主面が(100)面に
対して<011>方向に4゜±1゜傾斜している単結晶が
用いられている。そして、そのP−Si基板20上にエピタ
キシャル成長され、その後P型不純物を拡散して形成し
たP−Si層22上に、GaAsよりなるホール素子10を形成し
た。
このホール素子10の拡大断面図を第3図に示す。
このホール素子10は、P−Si層22の上に形成されたバ
ッファ層と、バッファ層上に形成された障壁層と、障壁
層上に形成された動作層とからなる。バッファ層は、P
−Si層22との界面近傍に位置し、高キャリア濃度のn+
GaAs層14から構成されており、その厚みは、キャリア濃
度が低下し飽和する約1.0μm程度となっている。障壁
層はGaAsにZnを約5×1016cm-3程度ドーピングしたP型
GaAs層15から構成されており、その厚みは、1.0μmで
ある。その上にSiを約2×1017cm-3程度ドーピングした
動作層であるn−GaAs層16が、1.0μmの厚さに形成さ
れている。そしてさらに、Au/Au−Geから成るオーミッ
ク電極17a,17bが形成されている。
これらの各層は、有機金属熱分解気相成長法(MOCV
D)により、順次、連続的にエピタキシャル成長させて
形成した。原料ガスには、トリメチルガリウム(TMG,Ga
(CH3)、水素希釈のアルシン(AsH3)を用いた。
又、n型,P型のドーパントには、各々水素希釈のSiH4
用いた。それらのガスの流速には、一定の結晶成長速度
が得られるように流量制御装置によって正確に制御され
ており、成長速度を4.6μm/hとした。又成長温度は750
℃とした。P−Si層22上にGaAsから成るバッファ層を成
長させるには、450℃で厚さ約200ÅのGaAs層を成長後、
750℃で本成長を行う二段階成長法を用いた。
このようにして、ホール素子部10をP−Si層22上にエ
ピタキシャル成長されたGaAs系の半導体で構成し、他の
周辺回路を同一のP−Si基板20上に形成されるSi半導体
で構成したホールICが得られる。
次に、本実施例のホール素子10の作用を説明する。こ
のホール素子10の電流電極28a,28bに電流を流し、この
電流方向と垂直方向に磁束をかける。すると、ホール効
果によって出力電極29a,29b間にホール素子の出力電圧V
Hを生ずる。
ここで、ホール素子10は、Si基板とGaAs層との界面近
傍での高キャリア濃度層であるn+−GaAs層14と動作層で
あるn−GaAs層16との間に障壁層であるP−GaAs層15を
設けたので、P−GaAs層15の拡散電位による障壁によっ
て、n−GaAs層16からn+−GaAs層14への電流の流入を防
止することができる。
これは、n−GaAs層16とP−GaAs層15の間にはpn接合
により0.5〜1.2Vの拡散電位が形成されるため、n−GaA
s層16からn+−GaAs層14への電流流入が防止されるので
ある。
このn+−GaAs層14への電流の流入防止は、第6図の等
価回路図における高キャリア濃度層のコンダクタンスG2
を無限に大きくしたことと同等のことであり、(3)式
での の項をほぼ0に近づけ、ホール起電力VHをkμに限り
なく近づけることができる。
本実施例において、このホール素子の出力電圧VHに比
例するホール素子全体の移動度μを測定した結果、4500
cm2/V・Sという高い移動度μを得ることができた。
これは、障壁層であるP−GaAs層15を形成することな
く膜厚3μmのGaAsを形成した場合のホール素子の移動
度である2200cm2/V・Sよりも約2倍の移動度を本実施
例のホール素子によって得ることができた。
本発明の他の実施例を第4図に示す。第1の実施例に
おけるP−GaAs層12の代わりに、n-−GaAs層43を挿入
し、n−n-接合による電位障壁を利用して、ホール素子
の特性を向上させることができる。例えば、P−Si基板
上へn+−GaAs層(膜厚:1μm)、n-−GaAs層(n〜2×
1014cm-3,膜厚:1μm)、n−GaAs層(n〜2×1017cm
-3,膜厚:1μm)を形成した場合の移動度は3900cm2/V・
Sで、n-−GaAs層43を挿入しない場合(膜厚3μm,ホー
ル移動度:2200cm2/V・S)の約1.8倍であった。移動度
はホール起電力VHに比例するので、本実施例においても
高いホール起電力が得られることが分かる。
前記実施例では、高キャリア濃度層であるn+−GaAs層
14を介してP−Si層22上に障壁層であるP−GaAs層15を
形成したが、P−Si層22上に直接P−GaAs層15を形成し
てもよい。
前記実施例では、Si基板上にGaAsよりなるホール素子
を形成したが、GaAsよりなるホール素子に限らず、InS
b,InAs等のIII−V族よりなるホール素子でもよく、さ
らにはSi基板もこれに限られるものではない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、動作層と障壁層とが同じIII−V族
化合物半導体からなるため、動作層と障壁層との間での
界面準位の生成が低減される。また、動作層とバッファ
層との間で流れる電流をPN接合による障壁で抑制するか
ら、動作層とバッファ層との間で流れる電流を確実に抑
制できる。これにより、界面付近での抵抗を低減でき更
に充分なホール起電力を得ることができる。更に、同一
半導体基板上にホール素子とその周辺回路である電気回
路を形成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はホールICのブロック回路図、第2図は本発明ホ
ールICの断面図、第3図は本発明の一実施例を示すホー
ル素子の断面図、第4図は本発明の他の実施例を示すホ
ール素子の断面図、第5図はP−Si基板にn−GaAs層を
積層した時のn−GaAs層の表面からの深さとキャリア密
度との関係を示す特性図、第6図は、ホール素子の等価
回路図である。 14……n+−GaAs層(高キャリア濃度層),15……P−GaA
s層(障壁層),16……n−GaAs層(動作層),20……P
−Si基板(半導体基板)。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板(20)と、 該半導体基板内に各々素子間分離されて形成された複数
    の半導体領域(25)と、前記半導体領域のうちの一つの
    半導体領域に形成された電気回路(31、32、33)と、前
    記半導体領域のうちの他の半導体領域(22)に形成さ
    れ、前記電気回路に形成されたホール素子(10)とを備
    える半導体装置であって、 前記ホール素子は、 前記他の半導体領域上に形成され、前記半導体基板とは
    異なるIII−V族化合物半導体からなるバッファ層(1
    4)と、 該バッファ層上に形成され、第1導電型(n)を有する
    とともに、前記半導体基板とは異なるIII−V族化合物
    半導体からなり、ホール起電力を発生させる動作層(1
    6)と、 前記バッファ層と前記動作層との間に少なくとも前記動
    作層に接して形成され、前記動作層と同じIII−V族化
    合物半導体からなり、第2導電型を有して前記動作層と
    の間でPN接合を構成し、前記動作層と前記バッファ層と
    の間で流れる電流を当該PN接合による障壁で抑制する障
    壁層(15)と を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記バッファ層は、前記半導体基板上に直
    接形成されて、前記半導体基板と前記動作層及び前記障
    壁層との格子不整合を緩和するものであることを特徴と
    する請求項1記載の半導体装置。
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