JP3601082B2 - ヘテロ接合ホール素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層のヘテロ接合からなるホール素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁電変換素子の一つとしてホール素子が知られている。ホール素子は一種の磁気センサーであり、回転検出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、ホール素子の高性能化の要望に対応してＧａＩｎＡｓとＩｎＰとのヘテロ接合からなるホール素子も開発されている（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（応用物理学会発行）、講演番号１６ａ−ＳＺＣ−１６、１０７８頁）。このヘテロ接合ホール素子は温度特性、感度特性に優れている。
【０００３】
ヘテロ接合ホール素子としては他にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を利用したものがある。また、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓヘテロ接合ホール素子も報告されている（例えばＹ．Ｓｕｇｉｙａｍａ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ １１ｔｈ．Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（１９９２）、７９頁）。いずれのヘテロ接合ホール素子もヘテロ接合によってもたらされる界面物性をホール素子の特性に反映させている。優れた界面物性の一つに高電子移動度の顕現がある。これによりホール素子の高感度化が果たされている。
【０００４】
従来からヘテロ接合は化合物半導体単結晶基板上に形成される。ＧａＡｓやＩｎＰ結晶が基板として使用される。格子の整合性を勘案してどちらかが選択されている。例えばＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合にはＩｎＰが基板として使用される。いずれにしても、基板の表面は平滑に加工される。特に、ヘテロ接合を形成する基板の表面側は機械的にも化学的にも研磨され、鏡面に仕上げられる。裏面側は鏡面とはいかない迄も平滑な面にラッピング、エッチング等の加工を施されるのが通例である。ヘテロ接合の形成後でも、裏面側を薄層化することはあっても、段差を設ける様な加工は従来から施されていない。
【０００５】
最近のヘテロ接合ホール素子でも、従来の素子と同じくフレーム上にマウントされる。次に、エポキシ樹脂等の半導体素子封止用樹脂で外囲する。これによってモールド品となす。
しかし、封止用樹脂で外囲するとホール素子の特性が変化する。素子特性がヘテロ接合の界面物性に依存するヘテロ接合ホール素子にあっては、特性変化は顕著である。特性の劣化は不平衡率の増大、積感度の悪化となって現れる。本来の優れたヘテロ接合ホール素子の特性が損なわれる欠点があった。
不平衡率（η）とはホール出力電圧（Ｖ）に対する不平衡電圧（Ｖ_０ ）の比率で式（１）で表される。
η＝Ｖ_０ ／（Ｖ−Ｖ_０ ） ・・・・・・（１）
積感度とは、単位電流、単位磁界強度下でのホール出力電圧である。ｍＶ／ｍＡ・ｋＧ或いはＶ／Ａ・Ｔの単位で表示される。不平衡率は小さく、積感度は大きい程、ホール素子は高性能であると言える。
【０００６】
また、一般的な封止用のエポキシ材料の線膨張率は約１０^−５／℃程度である（例えば新保 正樹編『エポキシ樹脂ハンドブック』（昭和６２年１２月２５日、日刊工業新聞社発行）、３７０頁参照）。一方、ＩｎＰの線膨張率は４．６×１０^−６／℃である（永井 治男 他著、『 ＩＩＩ−Ｖ族半導体混晶』昭和６３年１０月２５日、コロナ社発行、５２頁参照）。従って、この線膨張率の差に基づく熱歪の大部分が溝部に及び兼ねない。線膨張率がほぼ同等であれば、凹凸溝等を設けることによって歪応力は緩和吸収されるが、上記の如く線膨張率に顕著な差が存在すると、樹脂の軟化硬化に伴う樹脂の伸縮応力を充分に緩和できないばかりかかえって応力が増加する可能性がある。
【０００７】
この原因の一つに成型するために加熱工程が必要な熱硬化性の樹脂が、直接、基板の裏面に接触させている従来の構成にある。従って、基板結晶とほぼ同等の膨張率を有し、且つ加熱を必要とせずに応力を緩和するために設けた溝部を被覆できる材料があれば都合が良い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
外囲工程で不平衡率、積感度が劣化するのは、外囲用樹脂の熱伸縮に因る。樹脂を成形するための加熱、冷却工程に伴う樹脂の伸縮がホール素子に掛かる。結果として、ヘテロ界面に歪を誘引し、ヘテロ界面を乱す。これがヘテロ界面の物性を損なう。これが従来からヘテロ接合特性が充分にホール素子特性へ反映できない理由であった。従来技術では、樹脂の成形工程での素子特性の劣化を防止する有効な方法はなかった。
【０００９】
従来の如く軟化、硬化させるために数百℃の加熱工程を必要とせず、例えば室温近傍で硬化する様な、電気的に絶縁性を持つ適当な樹脂で被覆できれば好都合である。比較的低温で硬化すれば、ヘテロ接合部に及ぶ熱歪もそれだけ軽減され、ホール素子の特性を保持するにも優位となる。
素子化のための加熱工程での特性の劣化を防止できるホール素子の母体材料の構造と加工法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
裏面側に溝を形成したＩｎＰ基板上にヘテロ接合からなるホール素子を構成する。ヘテロ接合はＧａＩｎＡｓとＩｎＰ若しくはＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとから構成する。
【００１１】
ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ若しくはＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓヘテロ接合は、ＩｎＰ結晶基板上に形成する。基板の厚み（Ｄ）は３５０〜４００μｍである。ＩｎＰ結晶を基板とするのは格子整合性の観点からである。ＩｎＰ基板の裏面側には溝を形成する。溝の深さ（ｄ）は基板の厚さ（Ｄ）の３％以上で８８％以下とする。溝の深さ（ｄ）がＩｎＰ基板の厚さ（Ｄ）の３％未満であると、外囲樹脂の熱伸縮に伴い素子に掛かる歪を充分に吸収緩和できないからである。一方、溝の深さ（ｄ）が基板の厚さ（Ｄ）の８８％を越えると、逆に基板の表面側に形成されたヘテロ接合に直接熱歪が及ぶ。３％〜８８％に相当する溝の深さが外囲器の伸縮に伴う応力を緩和するに都合が良い。
【００１２】
溝は複数設けると良い。周期的に溝を設けると効果的である。溝は凹凸を設ければ形成できる。凹凸が存在すると応力が分散され、溝の凸部の部分にも応力が掛かる。凹凸を設ければ表面積が拡大し応力の吸収に寄与する。凹部の側壁も応力を吸収する。従って、基板裏面の上方、即ちヘテロ接合界面側に抜ける応力は緩和される。凹凸溝は直線でも格子状でも良い。また、同心円状でも構わない。格子状に溝を設ける場合は基板側に形成するダイシングラインの形成方向と位置とに対応する様にすると良い（図３参照）。ダイシングすべき基板厚が薄くなり、チップ化が容易となるからである。同心円状の溝は基板裏面の中央を中心として一つでも良い。図４にその平面模式図を、図５に断面模式図を示す。また、図６に示す様に各素子に対応する領域内に個別に同心円状溝を形成しても良い。
直線状、格子状の溝の数は各ホール素子の領域範囲内の基板裏面側に少なくとも一本の溝が存在する様に決定すれば良い。一般的なホール素子のチップサイズは３５０μｍ×３５０μｍ或いは３００μｍ×３００μｍである。従って、溝幅（ｗ）は少なくとも３００μｍ未満とすれば良い。また、溝間の距離も３００μｍ未満とすれば良い。但し、実用上は５０μｍ程度の溝を５〜６本程、基板結晶の裏面側に形成すると効果的である。
【００１３】
溝を形成するのは外囲工程以前である。予め裏面に溝を設けた結晶を基板として使用することができる。しかし、一般的にはヘテロ接合の成長後、表面側にダイシングラインの形成工程と併行して行うとプロセス上都合が良い。同一のプロセス手法でダイシングラインと裏面溝が同時に形成できるからである。
【００１４】
次に、上記のようにして得たホール素子チップをフレームに固定する。
フレームには溝がある基板裏面側を固定する。フレームには接合材で固定する。固定する側に溝があるとフレームへの固定も確実となる。基板裏面に溝が有ればフレームへのマウントも容易にする利点がある。
さらにフレームに固定したホール素子を外囲する。外囲にはエポキシ樹脂等の従来の封止用樹脂を使用すれば良い。ＩｎＰと同様の膨張率の低膨張率の樹脂を使用すればなおさら好都合である。
【００１５】
さらに、本発明では裏面側に溝を有する結晶基板上に設けたヘテロ接合からなるヘテロ接合ホール素子に於いて、上記結晶基板の裏面側に設けた応力緩和のための溝部を、軟磁性物質を含み上記基板とほぼ同等の線膨張率を有する樹脂材料で被覆してヘテロ接合ホール素子を構成する。さらに好ましくは、光照射により硬化する例えば基板と同等の線膨張率を有するポリイミド系樹脂等の光硬化性の樹脂で被覆してヘテロ接合ホール素子を構成する。本発明の効果はＧａＡｓ等に比較して脆性の高いＩｎＰ結晶を基板とし、その上に設けたＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓを含むヘテロ接合材料に特に効果がある。また、ＩｎＰ単結晶基板の裏面側に溝を設けることにより、基板裏面の表面積を拡大した上に軟磁性物質を含む光硬化性の、基板と同等の線膨張率を有する樹脂で溝部を埋め込み裏面全体を被覆すれば、軟磁性物質の保磁作用をもってヘテロ接合ホール素子の積感度の向上をも併せて果せる。
さらに、上記樹脂材料で基板の表面及び裏面を被覆することにより、樹脂製の外囲器によってモールドされたヘテロ接合ホール素子を構成する。かかる構成により外囲用樹脂の熱収縮によって起因する不平衡率及び積感度の劣化を防止できる。
【００１６】
このように作製したＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合ホール素子を例として電気的な特性を評価した。ＩｎＰ基板の裏側に溝があるＧａＩｎＡｓホール素子にあっては、同素子の外囲封止の前後で積感度、不平衡率にさしたる変化を生じなかった。一方、従来のＧａＩｎＡｓホ−ル素子にあっては、積感度が封止後に約２０％の低下を示した。また、不平衡率も封止前の±５％程度から、封止後では±１３％と悪化した。
【００１７】
【作用】
基板に溝を設けることにより、加工に伴う応力や熱応力を吸収し、外囲工程に伴う積感度及び不平衡率の劣化を回避すると共に軟磁性材料により積感度を助長する作用を有する。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明をＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合ホール素子の実施例を基に説明する。図１にＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合ホール素子の平面模式図を示す。図２は図１の破線Ａ−Ａ’に沿う断面模式図である。（１０１）は基板として用いたＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ単結晶である。基板の厚さは約３００μｍであった。基板の表裏面は｛１００｝面である。
【００１９】
基板（１０１）上には緩衝層となるＩｎＰ（１０２）を成長させた。更に感磁層となるＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）を積層した。成長温度は６１０℃とした。ＩｎＰ層（１０２）及びｎ形Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）のキャリア濃度は各々、２×１０^１５ｃｍ^−３及び２×１０^１６ｃｍ^−３であった。この積層構造の電子移動度は室温で１１，０００ｃｍ^２ ／Ｖ・ｓであった。ＩｎＰ層（１０２）及びＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）はＭＯＶＰＥ法で成長させた。成長時には基板（１０１）の裏面側にまだ溝を設けていない。
【００２０】
Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）の表面に加工を施し、オーミック入力電極（１０４）を形成した。更に、ウエハの表面をプラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ_２ 絶縁膜（１０５）で被覆した。ＳｉＯ_２ 膜（１０５）の厚さは約３００ｎｍとした。ウエハ表面側のＳｉＯ_２ 絶縁膜（１０５）上にはフォトレジスト材を塗布した。公知のフォトリソグラフィー技術等を利用し直線状のダイシングライン（１０６）を形成した。
【００２１】
ダイシングライン（１０６）の形成に併行してウエハの裏面側に直線状の溝を形成した。形成に当たっては、裏面全体にレジスト材を塗布した。公知のフォトリソグラフィー法により溝となる部分のみのレジストを剥離すべきパターニングした。次に、無機酸でＩｎＰ基板（１０１）の裏面をエッチングした。レジストが剥離されている領域ではエッチングが進行し、溝（１０７）が形成される。その他のレジストが残存している領域では、レジスト材がマスクとなりエッチングは進行しない。レジスト材が剥離された領域を交互に設けておけば、周期的な凹凸段差がエッチングで形成される。本実施例でもこの方法により溝（１０７）を形成した。溝（１０７）の開口幅は５０μｍとした。溝は＜０１１＞方向に平行にした。溝（１０７）の深さは約１００μｍとした。これは基板厚さの約３３％に相当した。
【００２２】
予めダイシングライン用と溝形成用のパターニングを行い、エッチングすればダイシングライン（１０６）と溝（１０７）は同時に形成される。本実施例では、ダイシングライン（１０６）の凹部と裏面の凹部とが一致する様にした。ダイシングする基板の厚さを薄くし、チップ化を容易にするためである。ダイシングライン（１０６）に沿ってスクライブし、チップとした。チップサイズは３５０μｍ×３５０μｍであった。
【００２３】
チップをフレームにマウントした。マウント後、チップをエポキシ樹脂で封止した。エポキシ樹脂は一般的な封止用のもので有るがシリカフィラーを混入している。封止温度は約２００℃とした。
【００２４】
ＧａＩｎＡｓホール素子の電気的な特性を評価した。積感度を本発明と従来例とで比較した。本発明のＧａＩｎＡｓホール素子では、積感度はモールドの前後で約７６０Ｖ・Ａ／Ｔと殆ど変化が認められかった。従来例のそれは約２０％低下し、モールド後では６２１Ｖ・Ａ／Ｔに悪化した。また、不平衡率は本発明による素子ではモルード前後に於いて±６％程度と一定であった。従来例のそれは±１２％と明かに劣化した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
（実施例２）
基板としてＦｅを添加してなる面方位が｛１００｝の半絶縁性のＩｎＰ単結晶を使用した。ＩｎＰ単結晶の比抵抗は１×１０^７ Ω・ｃｍであり、厚さは約０．０３５ｃｍであった。
【００２７】
基板（１０１）の裏面（１０１−２）には凹凸状の溝（１０７）を設けた。溝はＩｎＰの劈開方向である＜０バー１１＞方向及び＜０バー１バー１＞方向に格子状に形成した。これらの溝（１０７）は、公知のフォトリソグラフィー技術で一般的なフォトレジスト材をパターニングした後、無機酸によるエッチングで形成した。溝（１０７）の幅は５０×１０^−４ｃｍとし、５０×１０^−４ｃｍのピッチ間隔とした。溝の深さは約３０×１０ー４ ｃｍとした。
【００２８】
基板（１０１）の表面（１０１−１）上には、緩衝層としてｎ形のアンドープＩｎＰ層（１０２）と、感磁層としてｎ形のＳ（硫黄）をドープしたＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）とを順次常圧ＭＯＶＰＥ法で堆積し、ヘテロ接合を形成した。ＩｎＰ層（１０２）の膜厚は約１００ｎｍでキャリア濃度は２×１０^１５ｃｍ^−３とした。Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）は膜厚が４００ｎｍでキャリア濃度は２×１０^１６ｃｍ^−３であった。電子移動度は室温に於いて１１，０００ｃｍ^２ ／Ｖ・ｓであった。
【００２９】
基板（１０１）の裏面（１０１−２）側、即ち上記のヘテロ接合を形成したのとは反対側の溝（１０７）が形成された面に、中心粒径が約２５ｎｍ程度のＦｅ粉を含むポリイミド樹脂を、通常のスピンコート法により室温で塗布した。Ｆｅ粉の樹脂中の濃度は１２重量％とした。塗布するポリイミド樹脂としてはＩｎＰの線膨張率に近いものを選択した。また、ポリイミド樹脂は溝（１０７）を埋める如く均一に塗布した。基板（１０１）の裏面（１０１−２）上の塗布膜の厚みは約３００ｎｍとした。
【００３０】
ヘテロ接合を構成するＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層（１０３）上のＳｉＯ_２ 絶縁膜（１０５）上にも上記のポリイミド膜を塗布した。塗布膜の厚さは裏面側と同じく３００ｎｍとした。
【００３１】
表、裏面にポリイミド膜を塗布した後、紫外光を照射した。紫外光は水銀ランプを使用して照射した。これにより、ポリイミド樹脂を硬化させた。
【００３２】
ダイシングライン（１０６）を通常のフォトリソグラフィー技術等を利用して形成した後、チップとした。チップサイズは０．０３５ｃｍの正方形とした。
【００３３】
チップとした後、一般的なリードフレームにペーストでマウントした。マウント後、一般的なエポキシ樹脂で封止した。熱硬化性エポキシ樹脂での封止温度は約１９５℃とした。この封止温度より冷却後、ホール素子の特性を評価した。
【００３４】
表２に示す様に、本発明により製作されたＧａＩｎＡｓホール素子にあっては、積感度がモールドの前後で約７４３Ｖ・Ａ／Ｔと殆ど変化が認められなかった。不平衡率も本発明によればモールド前後で±６％以内であった。従来のポリイミド樹脂の被膜を設けてないＧａＩｎＡｓホール素子では、モールド後に積感度が６２５Ｖ・Ａ／Ｔに、約１０％の低下した。不平衡率もモールド前±６％程度からモールド後では±１２％程度に悪化した。
【００３５】
【表２】

【００３６】
【発明の効果】
特性劣化の少ない高性能のＧａＩｎＡｓホール素子を安定して提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＧａＩｎＡｓホール素子の平面模式図である。
【図２】図１の破線Ａ−Ａ’に沿う断面模式図である。
【図３】ダイシングラインと溝の好ましい配置の一例を示す図である。
【図４】同心円状の溝の例の平面模式図である。
【図５】図４の断面模式図である。
【図６】同心円状の溝の例を示す図である。
【符号の説明】
（１０１） 基板
（１０１−１） 基板表面
（１０１−２） 基板裏面
（１０１−３） オリエンテーションフラット
（１０２） ＩｎＰ層
（１０３） Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層
（１０４） オーミック入・出力電極
（１０５） ＳｉＯ_２ 絶縁膜
（１０６） ダイシングライン
（１０７） 溝
（１０８） ホール素子チップ

Claims (6)

1. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ヘテロ接合からなる感磁部層を設けた基板の裏面側に溝を形成し、該溝に軟磁性物質を含む、上記基板と同等の線膨張率を有する樹脂を充填し、かつ該樹脂製の外囲器によってモールドされたヘテロ接合ホール素子。
2. 樹脂材料が光硬化型樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合ホール素子。
3. 裏面の溝の深さが基板の厚さの３％以上で８８％以下である請求項１または２に記載のヘテロ接合ホール素子。
4. 基板がＩｎＰであることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合ホール素子。
5. ＧａＩｎＡｓとＩｎＰとのヘテロ接合からなることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合ホール素子。
6. ＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓとのヘテロ接合からなることを特徴とする請求項１または２に記載のヘテロ接合ホール素子。

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