JP3567500B2 - ホール素子 - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はホール素子に係わり、特に、高感度特性を与える半導体ヘテロ接合からなるヘテロ接合ホール素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
ホール素子は一種の磁気センサーであり、回転センサーや電流センサー等として利用されている。最近では、ホール素子の高感度化の要望に対応して半導体ヘテロ接合によって発現される高電子移動度特性を利用したヘテロ接合ホール素子が開発されている。Ga0.47In0.53AsとInPとのヘテロ接合からなるホール素子もその一例である(奥山 忍他,1992年秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集No.3,1078頁,講演番号16a−SZC−16)。
【0003】
Ga0.47In0.53AsとInPとのヘテロ接合は高い電子移動度を発現し(小沼 賢二郎他,1992年秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集No.1,282頁,講演番号18a−ZE−3)、ホール素子の高感度化が達成されている。感度と同様、ホール出力電圧の温度係数αが小さいこともホール素子の重要な特性である。温度係数αは通常は次の式(1)で求められるホール出力電圧の温度による変化率である。
α(%)={(VT2−VT1)/VT1}/(T2 −T1 ) ……式(1)
ここでVT1,VT2は温度T1 ,T2 でのホール出力電圧である。Ga0.47In0.53As/InPヘテロ接合ホール素子では、αは0.1〜0.2%/℃となっている(奥山 忍他,1992年秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集No.3,1078頁,講演番号16a−SZC−16)。これは、一般的なGaAsホール素子の0.05%/℃よりは大きい。高性能ホール素子となすには高い感度、即ちホール電圧の出力が大きく、且つその温度係数が小さい必要がある。
【0004】
αは感磁層を構成する半導体材料の禁止帯幅(バンドギャップ)に依存する。感磁層とは磁界を検知しホール電圧を発生する機能を担う半導体層のことを言う。感磁層が単一の半導体層から構成されている場合、αは感磁層を構成する半導体のバンドギャップが小さい程、大きくなる傾向がある。例えばInSbの室温でのバンドギャップは0.17eVであり、バンドギャップの低さに対応してαは約2%/℃と大きい。一方、バンドギャップが1.43eVのGaAsではαは約0.05%/℃と小さくなる。
【0005】
ヘテロ接合を含む感磁層の場合、αはヘテロ接合を構成する半導体層のバンドギャップの差に依存する傾向がある。従来のGa0.47In0.53As/InPヘテロ接合系を例にとれば、Ga0.47In0.53Asの室温でのバンドギャップは0.86eVである(H. C. Casey, Jr., and M. B. Panish,「HETEROSTRUCTUR LASERS−Part B」(Academic Press(1978) ,16頁参照)。InPのそれは1.34eVであるからバンドギャップの差は0.48eVとなる。また、Ga0.47In0.53As/InPヘテロ系からなるヘテロ接合ホール素子のαは、従来のInSbホール素子約2%/℃に比較すれば約1桁小さくなっている。
【0006】
Ga0.47In0.53As/InPヘテロ接合系以外では、Al0.3 Ga0.7 As/GaAs系を用いたヘテロ接合ホール素子がある(田口 隆志他,電子情報通信学会論文誌C,J70−C巻,5号(1987),758頁)。Al組成比がwのAlw Ga1−w Asのバンドギャップ((Eg)w )は次の式(2)で与えられる。
(Eg)w =1.424+1.247・w ……………式(2)
w=0.3では、(Eg)w は1.80eVである。GaAsのバンドギャップは1.43eVである。従って、両者のバンドギャップの差は0.37eVとなる。Al0.3 Ga0.7 As/GaAsヘテロ接合ホール素子のαの絶対値は0.68%/℃となっている(田口 隆志他,電子情報通信学会論文誌C,J70−C巻,5号(1987),758頁)。
【0007】
また、Ga0.2 In0.8 As/Al0.48In0.52Asヘテロ接合ホール素子も知られている(Y. Sugiyama, Technical Digest of the 11th Sensor Symposium(1992), 79頁)。Ga0.2 In0.8 Asの室温でのバンドギャップは1.21eVで、Al0.48In0.52Asでは1.49eVである(H. C. Casey, Jr., and M. B.Panish,「HETEROSTRUCTUR LASERS−Part B」(Academic Press(1978), 16頁参照)。従って、バンドギャップの差は0.28eVとなる。また、電圧駆動の場合のGa0.2 In0.8 As/Al0.48In0.52Asヘテロ接合ホール素子のαは0.54%/℃と報告されている(Y. Sugiyama, Technical Digest of the 11th Sensor Symposium(1992), 79頁)。上記の従来のヘテロ接合系からなるホール素子でも、いずれもGaAsホール素子に比較し高感度ではあるものの、αはより大きくなっている。
【0008】
αが大きいと必然的に使用環境温度によるホール出力電圧の変化が大きくなる。従って、温度による出力電圧の変動を補償する付帯回路が必要となる。これは工程的にも煩雑さを招き、また付帯回路を設けるとホール素子を含むシステムの肥大化をもたらす。αを低下させるには、従来よりも大きなバンドギャップの差、ひいては大きな伝導帯の不連続性をもたらすヘテロ接合系を利用する必要がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヘテロ接合ホール素子のαを低減するには、バンドギャップの差が大きい半導体からヘテロ接合を構成する必要がある。また、高感度特性を得るには高い電子移動度を発現できるヘテロ接合系を用いる必要がある。しかしながら、ホール素子に適する大きなバンドギャップの差を有するヘテロ接合系は未だ提案されていない。これが高感度で且つホール出力電圧の温度変化が、従来のGaAsホール素子と同等に小さいヘテロ接合ホール素子の実現を妨げる一因であった。高い感度特性とホール出力電圧の小さい温度変動を与えるヘテロ接合系を新たに見出せれば高性能のヘテロ接合ホール素子が供給できる。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明では禁止帯幅が0.64eV以上である半導体でヘテロ接合を構成することにより、従来のホール出力電圧の温度変化係数が大きい欠点を克服し、高感度で且つホール出力電圧の温度変化が少ないヘテロホール素子を得る。
本発明者がヘテロ接合を構成する半導体材料のバンドギャップ差とホール素子の温度係数の関係を検討した結果を図3に示す。温度係数はヘテロ接合を形成する二種の半導体のバンドギャップ差の増大と共に単調に減少していく。バンドギャップの差が0.64eV未満では、素子の実用上適するとされる0.1%程度以下のαを得るのは困難であることが判明した。0.64eV以上となると0.1%より小さいαを得ることが可能となるのが示唆された。このようなヘテロ接合はGax In1−x PまたはAlz In1−z PとGay In1−y Asとの接合によって達成される。
【0011】
Gax In1−x PとAlz In1−z Pのバンドギャップ((Eg)x ,(Eg)z )は各々、式(3)及び式(4)から求められる。
(Eg)x =1.351+0.643・x+0.786・X2 ……式(3)
(Eg)z =1.351+2.23・z ……式(4)
上式よりx=0.51±0.02の範囲では(Eg)x は1.85〜1.91eVとなる。z=0.52±0.02の範囲では、(Eg)z は2.47〜2.56eVとなる。Gay In1−y Asのバンドギャップ((Eg)y )はGa組成比(y)の関数として次式(5)で与えられる。
(Eg)y =0.36+1.064・y …………式(5)
式(5)より例えばy=0.8では(Eg)y は1.21eVとなる。従って、Ga0.8 In0.2 Asとのバンドギャップの差は、x=0.51±0.02のGax In1−x Pに対しては0.64〜0.70eVとなる。一方、z=0.52±0.02のAlz In1−z Pに対しては1.26〜1.35eVとなる。
【0012】
本発明では高性能のヘテロ接合を得るに、Ga組成比(x)が0.49以上0.53以下のGax In1−x PとGa組成比(y)が0.10以上0.40以下であるGay In1−y Asとからヘテロ接合を構成する。または、Al組成比(z)が0.50以上0.54以下のAlz In1−z PとGa組成比(y)が0.10以上0.40以下であるGay In1−y Asとでヘテロ接合を構成する。いずれも、0.64eV以上の禁止帯幅の差を与えるヘテロ接合系からホール素子を構成する。
【0013】
Gax In1−x P/Gay In1−y AsやAlz In1−z P/Gay In1−y Asヘテロ接合は結晶基板上に堆積する。Ga組成比(x)が0.51のGa0.51In0.49PとAl組成比zが0.52のAl0.52In0.48PはGaAsと格子整合するため、半絶縁性のGaAs単結晶を基板とすると都合が良い。ホール素子の特性上、xは0.51±0.02の範囲に収納するのが好ましい。zは0.52±0.02の範囲に収納させると良い。x,zがこの範囲を越えると、これらの層にヘテロ接合させるGay In1−y Asに結晶欠陥を誘引する原因となる。結晶欠陥を多量に内在するヘテロ接合系では高い電子移動度は顕現されない。よって、高感度のヘテロ接合ホール素子は実現されない。ホール素子の感度は母体材料の電子移動度に比例して向上するからである。
【0014】
Gax In1−x P若しくはAlz In1−z Pとヘテロ接合させるGay In1−y AsのGa組成比(y)は0.30から0.40以下とすると良い。yが大きくなるとGaAsとの格子の不整合性が大きくなるからである。格子不整合性が増すとGay In1−y Asの結晶性が悪化し、ホール素子の高感度化の妨げとなる。yは結晶性の劣化が顕著でなく、高い電子移動度が得られる0.10〜0.40とする。
【0015】
上記のヘテロ接合系は、第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたn型Gax In1−x Pとアンドープか第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたGay In1−y Asから構成する。または、珪素を添加したn型Alz In1−z Pとアンドープか硫黄若しくは珪素をドープしたn型Gay In1−y Asとでヘテロ接合を構成する。
【0016】
本発明に係わるヘテロ接合を構成するに際し、元素周期律表の第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたn型Gax In1−x Pとアンドープか第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたGay In1−y Asとでヘテロ接合を構成する。n型Gax In1−x PやGay In1−y Asを得るに適した第IV族若しくは第VI族のドーパントとしては、Si,SやSe等がある。これらのドーパントを添加してn型のGax In1−x Pを得る場合、キャリア濃度としては1017〜1018cm−3とすると高移動度化に適する。このn型Gax In1−x Pとヘテロ接合させるGay In1−y Asはアンドープか上記のドーパントを添加したn型とする。高移動度を得るためには、Gay In1−y Asのキャリア濃度としては1016cm−3前後が適する。
【0017】
n型Gay In1−y Asとのヘテロ接合させるn型Alz In1−z Pを得るには、ドーパントとしてSiを利用する。周期律表の第VI族のSとSe等を含む硫化水素(H2 S)やセレン化水素(H2 Se)等のドーピングガスを使用してn型のGay In1−y Asが得られるが、例えばトリメチルAl((CH3 )3 Al)等のAl源となる有機化合物と気相反応を起こし、結晶表面のモホロジーを悪化させる。Siドープのn型Alz In1−z Pとヘテロ接合させるn型Gay In1−y Asは、アンドープかS若しくはSiをドープしたn型層とする。ヘテロ接合を構成するAlz In1−z PとGay In1−y Asのキャリア濃度は1017〜1018cm−3と1016cm−3前後に各々、設定すると高移動度が得られる。
【0018】
Gax In1−x P若しくはAlz In1−z PとGay In1−y Asの積層の順序には制限はない。しかし、単一ヘテロ構造とする場合には一般的にはGax In1−x PかAlz In1−z Pを基板上やGaAs緩衝層上に先ず、堆積する。これらの混晶層上によりバンドギャップが小さいGay In1−y Asを堆積する。バンドギャップがGay In1−y Asより大きなGax In1−x PやAlz In1−z Pを最表層とすると、入・出力電極にオーミック性を付与するに困難が伴うからである。
【0019】
上記のGay In1−y As等のヘテロ接合構成層は、液相エピタキシャル成長法(LPE法)、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)や有機金属熱分解法(MOVPE法)等で成長できる。或はまたMOVPEとMBEの双方を複合させたMO・MBE法でも得られる。
【0020】
【作用】
ヘテロ接合材料を利用してホール素子を作るに際し、ヘテロ接合を構成する材料のバンドギャップを規定することにより、小さな温度係数と高い電子移動度を得る。
【0021】
【実施例】
本発明を実施例を基に詳細に説明する。図1は本発明に係わるGax In1−x As(xはGaの組成比を表す。)ホール素子の平面模式図である。また、図2は図1に示す破線A−A′の方向の断面模式図である。本実施例では、比抵抗が約107 Ω・cmの面方位{100}の半絶縁性GaAs単結晶を基板(101)として使用した。
【0022】
基板(101)上には、高抵抗のアンドープGaAs層を緩衝層(102)として堆積させた。緩衝層(102)の厚さは約100nmとした。
【0023】
緩衝層(102)上には、感磁層としてSiをドープしたn型のAl0.52In0.48P層(103)を設けた。同層のバンドギャップエネルギーは2.51eVであり、キャリア濃度をHall効果法により測定した結果、約1×1018cm−3であった。Siのドーピングにはモノシランガス(SiH4 )を使用した。膜厚は25nmとした。
【0024】
Al0.52In0.48P層(103)上には、アンドープでn型のGa0.82In0.18As感磁層(104)を堆積した。同層のバンドギャップエネルギーは1.23eVであり、キャリア濃度は5×1016cm−3とし、膜厚は700nmとした。
この結果ヘテロ接合をなすn型Al0.52In0.48P層(103)とn型Ga0.82In0.18As感磁層(104)とのバンドギャップエネルギー差は1.28eVとなった。
【0025】
上記の半導体層は全て常圧のMOVPE法で成長させた。In源としてはシクロペンタジエニルIn(C5 H5 In)を使用した。Ga,Alの原料には各々トリメチルGaとトリメチルAlを使用した。As源、P源はアルシン(AsH3 )、ホスフィン(PH3 )とした。成長温度は660℃に固定した。
【0026】
次に、Ga0.82In0.18As感磁層(104)の表面を通常の有機フォトレジスト材で被覆し、その後公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を駆使し、入・出力電極を形成すべき領域並びに感磁部となす領域をメサ形状に加工した。
【0027】
その後、Ga0.82In0.18As感磁層(104)の表面を再び有機レジスト材で全面を被覆した。次に各々、一対をなす入力電極(105)と出力電極(106)の形成領域に存在する上記レジスト材のみを公知のフォトリソグラフィー技術を利用して除去し、Ga0.82In0.18As感磁層(104)の表面を露出させた。その上にGeを重量で約13%程度含むAu・Ge合金を真空蒸着した。蒸着後、当該ウエハを有機溶剤混合液に浸し、レジスト材によるリフトオフ法で素子の製作上、不要となるAu・Ge合金膜を除去した。次に、オーミック性電極を得るために電極となる合金膜を被着させたウエハを温度420℃で数分間、熱処理(アロイング)した。
【0028】
更に、当該入・出力用の電極(105及び106)と電気的に連結させてパッド電極(107)を各電極に設けた。該パッド電極(107)は、上記の如くメサエッチングにより露出させたGaAs単結晶基板(101)の表層部に載置させた。これは電極のアロイング時に感磁層に直接歪が掛かるのを防止するためである。
【0029】
製作したホール素子の積感度は540V/A・Tであり、従来のGaAsホール素子の約2から3倍の積感度が得られた。また、αは従来のヘテロ接合ホール素子より小さく0.07%/℃であった。図3に点Aとして示す。このαは従来のGaAsのそれとほぼ同等であった。
【0030】
【発明の効果】
ヘテロ接合ホール素子の感度を向上させ、特性の温度変化を低く抑制する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるホール素子の平面模式図である。
【図2】図1の破線A−A′に沿った直線断面の模式図である。
【図3】ヘテロ接合のバンドギャップ差と温度係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
(101) 基板
(102) 緩衝層
(103) Al0.52In0.48P層
(104) Ga0.82In0.18As感磁層
(105) 入力電極
(106) 出力電極
(107) パッド電極
(108) 酸化膜
(109) ダイシングライン
【産業上の利用分野】
本発明はホール素子に係わり、特に、高感度特性を与える半導体ヘテロ接合からなるヘテロ接合ホール素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
ホール素子は一種の磁気センサーであり、回転センサーや電流センサー等として利用されている。最近では、ホール素子の高感度化の要望に対応して半導体ヘテロ接合によって発現される高電子移動度特性を利用したヘテロ接合ホール素子が開発されている。Ga0.47In0.53AsとInPとのヘテロ接合からなるホール素子もその一例である(奥山 忍他,1992年秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集No.3,1078頁,講演番号16a−SZC−16)。
【0003】
Ga0.47In0.53AsとInPとのヘテロ接合は高い電子移動度を発現し(小沼 賢二郎他,1992年秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集No.1,282頁,講演番号18a−ZE−3)、ホール素子の高感度化が達成されている。感度と同様、ホール出力電圧の温度係数αが小さいこともホール素子の重要な特性である。温度係数αは通常は次の式(1)で求められるホール出力電圧の温度による変化率である。
α(%)={(VT2−VT1)/VT1}/(T2 −T1 ) ……式(1)
ここでVT1,VT2は温度T1 ,T2 でのホール出力電圧である。Ga0.47In0.53As/InPヘテロ接合ホール素子では、αは0.1〜0.2%/℃となっている(奥山 忍他,1992年秋季第53回応用物理学会学術講演会予稿集No.3,1078頁,講演番号16a−SZC−16)。これは、一般的なGaAsホール素子の0.05%/℃よりは大きい。高性能ホール素子となすには高い感度、即ちホール電圧の出力が大きく、且つその温度係数が小さい必要がある。
【0004】
αは感磁層を構成する半導体材料の禁止帯幅(バンドギャップ)に依存する。感磁層とは磁界を検知しホール電圧を発生する機能を担う半導体層のことを言う。感磁層が単一の半導体層から構成されている場合、αは感磁層を構成する半導体のバンドギャップが小さい程、大きくなる傾向がある。例えばInSbの室温でのバンドギャップは0.17eVであり、バンドギャップの低さに対応してαは約2%/℃と大きい。一方、バンドギャップが1.43eVのGaAsではαは約0.05%/℃と小さくなる。
【0005】
ヘテロ接合を含む感磁層の場合、αはヘテロ接合を構成する半導体層のバンドギャップの差に依存する傾向がある。従来のGa0.47In0.53As/InPヘテロ接合系を例にとれば、Ga0.47In0.53Asの室温でのバンドギャップは0.86eVである(H. C. Casey, Jr., and M. B. Panish,「HETEROSTRUCTUR LASERS−Part B」(Academic Press(1978) ,16頁参照)。InPのそれは1.34eVであるからバンドギャップの差は0.48eVとなる。また、Ga0.47In0.53As/InPヘテロ系からなるヘテロ接合ホール素子のαは、従来のInSbホール素子約2%/℃に比較すれば約1桁小さくなっている。
【0006】
Ga0.47In0.53As/InPヘテロ接合系以外では、Al0.3 Ga0.7 As/GaAs系を用いたヘテロ接合ホール素子がある(田口 隆志他,電子情報通信学会論文誌C,J70−C巻,5号(1987),758頁)。Al組成比がwのAlw Ga1−w Asのバンドギャップ((Eg)w )は次の式(2)で与えられる。
(Eg)w =1.424+1.247・w ……………式(2)
w=0.3では、(Eg)w は1.80eVである。GaAsのバンドギャップは1.43eVである。従って、両者のバンドギャップの差は0.37eVとなる。Al0.3 Ga0.7 As/GaAsヘテロ接合ホール素子のαの絶対値は0.68%/℃となっている(田口 隆志他,電子情報通信学会論文誌C,J70−C巻,5号(1987),758頁)。
【0007】
また、Ga0.2 In0.8 As/Al0.48In0.52Asヘテロ接合ホール素子も知られている(Y. Sugiyama, Technical Digest of the 11th Sensor Symposium(1992), 79頁)。Ga0.2 In0.8 Asの室温でのバンドギャップは1.21eVで、Al0.48In0.52Asでは1.49eVである(H. C. Casey, Jr., and M. B.Panish,「HETEROSTRUCTUR LASERS−Part B」(Academic Press(1978), 16頁参照)。従って、バンドギャップの差は0.28eVとなる。また、電圧駆動の場合のGa0.2 In0.8 As/Al0.48In0.52Asヘテロ接合ホール素子のαは0.54%/℃と報告されている(Y. Sugiyama, Technical Digest of the 11th Sensor Symposium(1992), 79頁)。上記の従来のヘテロ接合系からなるホール素子でも、いずれもGaAsホール素子に比較し高感度ではあるものの、αはより大きくなっている。
【0008】
αが大きいと必然的に使用環境温度によるホール出力電圧の変化が大きくなる。従って、温度による出力電圧の変動を補償する付帯回路が必要となる。これは工程的にも煩雑さを招き、また付帯回路を設けるとホール素子を含むシステムの肥大化をもたらす。αを低下させるには、従来よりも大きなバンドギャップの差、ひいては大きな伝導帯の不連続性をもたらすヘテロ接合系を利用する必要がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヘテロ接合ホール素子のαを低減するには、バンドギャップの差が大きい半導体からヘテロ接合を構成する必要がある。また、高感度特性を得るには高い電子移動度を発現できるヘテロ接合系を用いる必要がある。しかしながら、ホール素子に適する大きなバンドギャップの差を有するヘテロ接合系は未だ提案されていない。これが高感度で且つホール出力電圧の温度変化が、従来のGaAsホール素子と同等に小さいヘテロ接合ホール素子の実現を妨げる一因であった。高い感度特性とホール出力電圧の小さい温度変動を与えるヘテロ接合系を新たに見出せれば高性能のヘテロ接合ホール素子が供給できる。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明では禁止帯幅が0.64eV以上である半導体でヘテロ接合を構成することにより、従来のホール出力電圧の温度変化係数が大きい欠点を克服し、高感度で且つホール出力電圧の温度変化が少ないヘテロホール素子を得る。
本発明者がヘテロ接合を構成する半導体材料のバンドギャップ差とホール素子の温度係数の関係を検討した結果を図3に示す。温度係数はヘテロ接合を形成する二種の半導体のバンドギャップ差の増大と共に単調に減少していく。バンドギャップの差が0.64eV未満では、素子の実用上適するとされる0.1%程度以下のαを得るのは困難であることが判明した。0.64eV以上となると0.1%より小さいαを得ることが可能となるのが示唆された。このようなヘテロ接合はGax In1−x PまたはAlz In1−z PとGay In1−y Asとの接合によって達成される。
【0011】
Gax In1−x PとAlz In1−z Pのバンドギャップ((Eg)x ,(Eg)z )は各々、式(3)及び式(4)から求められる。
(Eg)x =1.351+0.643・x+0.786・X2 ……式(3)
(Eg)z =1.351+2.23・z ……式(4)
上式よりx=0.51±0.02の範囲では(Eg)x は1.85〜1.91eVとなる。z=0.52±0.02の範囲では、(Eg)z は2.47〜2.56eVとなる。Gay In1−y Asのバンドギャップ((Eg)y )はGa組成比(y)の関数として次式(5)で与えられる。
(Eg)y =0.36+1.064・y …………式(5)
式(5)より例えばy=0.8では(Eg)y は1.21eVとなる。従って、Ga0.8 In0.2 Asとのバンドギャップの差は、x=0.51±0.02のGax In1−x Pに対しては0.64〜0.70eVとなる。一方、z=0.52±0.02のAlz In1−z Pに対しては1.26〜1.35eVとなる。
【0012】
本発明では高性能のヘテロ接合を得るに、Ga組成比(x)が0.49以上0.53以下のGax In1−x PとGa組成比(y)が0.10以上0.40以下であるGay In1−y Asとからヘテロ接合を構成する。または、Al組成比(z)が0.50以上0.54以下のAlz In1−z PとGa組成比(y)が0.10以上0.40以下であるGay In1−y Asとでヘテロ接合を構成する。いずれも、0.64eV以上の禁止帯幅の差を与えるヘテロ接合系からホール素子を構成する。
【0013】
Gax In1−x P/Gay In1−y AsやAlz In1−z P/Gay In1−y Asヘテロ接合は結晶基板上に堆積する。Ga組成比(x)が0.51のGa0.51In0.49PとAl組成比zが0.52のAl0.52In0.48PはGaAsと格子整合するため、半絶縁性のGaAs単結晶を基板とすると都合が良い。ホール素子の特性上、xは0.51±0.02の範囲に収納するのが好ましい。zは0.52±0.02の範囲に収納させると良い。x,zがこの範囲を越えると、これらの層にヘテロ接合させるGay In1−y Asに結晶欠陥を誘引する原因となる。結晶欠陥を多量に内在するヘテロ接合系では高い電子移動度は顕現されない。よって、高感度のヘテロ接合ホール素子は実現されない。ホール素子の感度は母体材料の電子移動度に比例して向上するからである。
【0014】
Gax In1−x P若しくはAlz In1−z Pとヘテロ接合させるGay In1−y AsのGa組成比(y)は0.30から0.40以下とすると良い。yが大きくなるとGaAsとの格子の不整合性が大きくなるからである。格子不整合性が増すとGay In1−y Asの結晶性が悪化し、ホール素子の高感度化の妨げとなる。yは結晶性の劣化が顕著でなく、高い電子移動度が得られる0.10〜0.40とする。
【0015】
上記のヘテロ接合系は、第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたn型Gax In1−x Pとアンドープか第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたGay In1−y Asから構成する。または、珪素を添加したn型Alz In1−z Pとアンドープか硫黄若しくは珪素をドープしたn型Gay In1−y Asとでヘテロ接合を構成する。
【0016】
本発明に係わるヘテロ接合を構成するに際し、元素周期律表の第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたn型Gax In1−x Pとアンドープか第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたGay In1−y Asとでヘテロ接合を構成する。n型Gax In1−x PやGay In1−y Asを得るに適した第IV族若しくは第VI族のドーパントとしては、Si,SやSe等がある。これらのドーパントを添加してn型のGax In1−x Pを得る場合、キャリア濃度としては1017〜1018cm−3とすると高移動度化に適する。このn型Gax In1−x Pとヘテロ接合させるGay In1−y Asはアンドープか上記のドーパントを添加したn型とする。高移動度を得るためには、Gay In1−y Asのキャリア濃度としては1016cm−3前後が適する。
【0017】
n型Gay In1−y Asとのヘテロ接合させるn型Alz In1−z Pを得るには、ドーパントとしてSiを利用する。周期律表の第VI族のSとSe等を含む硫化水素(H2 S)やセレン化水素(H2 Se)等のドーピングガスを使用してn型のGay In1−y Asが得られるが、例えばトリメチルAl((CH3 )3 Al)等のAl源となる有機化合物と気相反応を起こし、結晶表面のモホロジーを悪化させる。Siドープのn型Alz In1−z Pとヘテロ接合させるn型Gay In1−y Asは、アンドープかS若しくはSiをドープしたn型層とする。ヘテロ接合を構成するAlz In1−z PとGay In1−y Asのキャリア濃度は1017〜1018cm−3と1016cm−3前後に各々、設定すると高移動度が得られる。
【0018】
Gax In1−x P若しくはAlz In1−z PとGay In1−y Asの積層の順序には制限はない。しかし、単一ヘテロ構造とする場合には一般的にはGax In1−x PかAlz In1−z Pを基板上やGaAs緩衝層上に先ず、堆積する。これらの混晶層上によりバンドギャップが小さいGay In1−y Asを堆積する。バンドギャップがGay In1−y Asより大きなGax In1−x PやAlz In1−z Pを最表層とすると、入・出力電極にオーミック性を付与するに困難が伴うからである。
【0019】
上記のGay In1−y As等のヘテロ接合構成層は、液相エピタキシャル成長法(LPE法)、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)や有機金属熱分解法(MOVPE法)等で成長できる。或はまたMOVPEとMBEの双方を複合させたMO・MBE法でも得られる。
【0020】
【作用】
ヘテロ接合材料を利用してホール素子を作るに際し、ヘテロ接合を構成する材料のバンドギャップを規定することにより、小さな温度係数と高い電子移動度を得る。
【0021】
【実施例】
本発明を実施例を基に詳細に説明する。図1は本発明に係わるGax In1−x As(xはGaの組成比を表す。)ホール素子の平面模式図である。また、図2は図1に示す破線A−A′の方向の断面模式図である。本実施例では、比抵抗が約107 Ω・cmの面方位{100}の半絶縁性GaAs単結晶を基板(101)として使用した。
【0022】
基板(101)上には、高抵抗のアンドープGaAs層を緩衝層(102)として堆積させた。緩衝層(102)の厚さは約100nmとした。
【0023】
緩衝層(102)上には、感磁層としてSiをドープしたn型のAl0.52In0.48P層(103)を設けた。同層のバンドギャップエネルギーは2.51eVであり、キャリア濃度をHall効果法により測定した結果、約1×1018cm−3であった。Siのドーピングにはモノシランガス(SiH4 )を使用した。膜厚は25nmとした。
【0024】
Al0.52In0.48P層(103)上には、アンドープでn型のGa0.82In0.18As感磁層(104)を堆積した。同層のバンドギャップエネルギーは1.23eVであり、キャリア濃度は5×1016cm−3とし、膜厚は700nmとした。
この結果ヘテロ接合をなすn型Al0.52In0.48P層(103)とn型Ga0.82In0.18As感磁層(104)とのバンドギャップエネルギー差は1.28eVとなった。
【0025】
上記の半導体層は全て常圧のMOVPE法で成長させた。In源としてはシクロペンタジエニルIn(C5 H5 In)を使用した。Ga,Alの原料には各々トリメチルGaとトリメチルAlを使用した。As源、P源はアルシン(AsH3 )、ホスフィン(PH3 )とした。成長温度は660℃に固定した。
【0026】
次に、Ga0.82In0.18As感磁層(104)の表面を通常の有機フォトレジスト材で被覆し、その後公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を駆使し、入・出力電極を形成すべき領域並びに感磁部となす領域をメサ形状に加工した。
【0027】
その後、Ga0.82In0.18As感磁層(104)の表面を再び有機レジスト材で全面を被覆した。次に各々、一対をなす入力電極(105)と出力電極(106)の形成領域に存在する上記レジスト材のみを公知のフォトリソグラフィー技術を利用して除去し、Ga0.82In0.18As感磁層(104)の表面を露出させた。その上にGeを重量で約13%程度含むAu・Ge合金を真空蒸着した。蒸着後、当該ウエハを有機溶剤混合液に浸し、レジスト材によるリフトオフ法で素子の製作上、不要となるAu・Ge合金膜を除去した。次に、オーミック性電極を得るために電極となる合金膜を被着させたウエハを温度420℃で数分間、熱処理(アロイング)した。
【0028】
更に、当該入・出力用の電極(105及び106)と電気的に連結させてパッド電極(107)を各電極に設けた。該パッド電極(107)は、上記の如くメサエッチングにより露出させたGaAs単結晶基板(101)の表層部に載置させた。これは電極のアロイング時に感磁層に直接歪が掛かるのを防止するためである。
【0029】
製作したホール素子の積感度は540V/A・Tであり、従来のGaAsホール素子の約2から3倍の積感度が得られた。また、αは従来のヘテロ接合ホール素子より小さく0.07%/℃であった。図3に点Aとして示す。このαは従来のGaAsのそれとほぼ同等であった。
【0030】
【発明の効果】
ヘテロ接合ホール素子の感度を向上させ、特性の温度変化を低く抑制する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるホール素子の平面模式図である。
【図2】図1の破線A−A′に沿った直線断面の模式図である。
【図3】ヘテロ接合のバンドギャップ差と温度係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
(101) 基板
(102) 緩衝層
(103) Al0.52In0.48P層
(104) Ga0.82In0.18As感磁層
(105) 入力電極
(106) 出力電極
(107) パッド電極
(108) 酸化膜
(109) ダイシングライン
Claims (5)
- 半導体結晶基板上にヘテロ接合を具備してなり、該ヘテロ接合はGa組成比(x)が0.49以上0.53以下のGa x In 1−x Pと、Ga組成比(y)が0.10以上0.40以下であるGa y In 1−y Asとからなり、かつ禁止帯幅の差が0.64eV以上であることを特徴とするホール素子。
- 半導体結晶基板上にヘテロ接合を具備してなり、該ヘテロ接合はAl組成比(z)が0.50以上0.54以下のAl z In 1−z Pと、Ga組成比(y)が0.10以上0.40以下であるGa y In 1−y Asとからなり、かつ禁止帯幅の差が0.64eV以上であることを特徴とするホール素子。
- ヘテロ接合が周期律表第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたn型GaxIn1−xPとアンドープ若しくは第IV族若しくは第VI族の元素をドープしたGayIn1−yAsを含むことを特徴とする請求項1に記載のホール素子。
- ヘテロ接合が珪素を添加したn型AlzIn1−zPとアンドープ若しくは硫黄若しくは珪素をドープしたn型GayIn1−yAsを含むことを特徴とする請求項2に記載のホール素子。
- ホール出力電圧の温度係数の絶対値が0.1%/℃以下であるヘテロ接合を具備してなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のホール素子。
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- 1994-09-30 JP JP23767494A patent/JP3567500B2/ja not_active Expired - Lifetime
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