JP5073429B2 - Magnetic sensor, Hall element, magnetoresistive effect element, method for producing Hall element, method for producing magnetoresistive effect element - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物半導体にて動作層を構成した磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor having an operation layer made of a group III nitride semiconductor.
半導体材料にて動作層を構成したホール素子や磁気抵抗効果素子などの磁気センサは、使用する半導体材料のキャリア移動度が大きいほど高い感度を示すことが知られている。そのため、従来より、磁気センサの動作層には、InSbやInAsといった高い電子移動度を示す化合物半導体が用いられている(例えば、非特許文献1参照)。例えば、DCブラシレスモータ用の磁気センサとして、InSbやInAsなどの薄膜のホール効果を利用したホール素子が多量に使われている。 It is known that a magnetic sensor such as a Hall element or a magnetoresistive effect element having an operating layer made of a semiconductor material exhibits higher sensitivity as the carrier mobility of the semiconductor material used increases. Therefore, conventionally, a compound semiconductor exhibiting a high electron mobility such as InSb or InAs has been used for the operation layer of the magnetic sensor (for example, see Non-Patent Document 1). For example, as a magnetic sensor for a DC brushless motor, a large number of Hall elements using the Hall effect of a thin film such as InSb or InAs are used.
また、ワイドバンドギャップ半導体であるIII族窒化物半導体にて動作層を構成した磁気センサも公知である(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。係る磁気センサは、InSbやInAsを用いた磁気センサと比べると感度では劣るものの、高温下でも特性変化が生じにくいという利点がある。特に、特許文献2には、動作層がAlxG1-xN/GaN(0.3<x≦0.5)ヘテロ構造を有する磁気センサが、300℃以上で良好に動作可能である旨の開示がなされている。
A magnetic sensor in which an operation layer is formed of a group III nitride semiconductor that is a wide band gap semiconductor is also known (see, for example,
特許文献1においても指摘されているように、InSbやInAsを用いて作製した磁気センサの場合、磁束密度一定の条件の下で測定されるホール電圧に温度依存性があるために、高温下で使用することができないという欠点があることが広く知られている。
As pointed out in
また、特許文献1や特許文献2に開示されているような、AlGaN/GaNヘテロ接合を有するように動作層を形成した磁気センサの場合、温度特性はInSbやInAsを用いたものよりも優れているものの、大きなピエゾ分極効果や自発分極効果のため、GaN層のAlGaN層との界面近傍における2次元電子ガス濃度が必要以上に大きくなり過ぎてしまい、十分な感度が得られにくいという問題があった。
Further, in the case of a magnetic sensor in which an operation layer is formed so as to have an AlGaN / GaN heterojunction as disclosed in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、温度特性が良好でかつ高感度で動作する磁気センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic sensor that has good temperature characteristics and operates with high sensitivity.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、所定の基板の上にGaN層とAlGaN層とのヘテロ接合構造を有する動作層を備える磁気センサであって、前記基板が、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかであり、前記動作層は、結晶構造がウルツ鉱型構造であるとともにc軸が前記基板の表面に対して略平行である、ことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の磁気センサであって、前記動作層に形成される二次元電子ガス領域の二次元電子ガス濃度が2×10 12 /cm 3 以下である、ことを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
The invention according to
請求項3の発明は、ホール素子が、請求項1または請求項2に記載の磁気センサであって平面視において前記動作層の互いに対向する第1の端部のそれぞれに入力電極を備えるとともに、前記第1の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第2の端部のそれぞれに出力電極を備えたものである、ことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the Hall element is the magnetic sensor according to the first or second aspect, and includes an input electrode at each of the first ends of the operation layer facing each other in plan view, Each of the second ends facing each other in a direction substantially orthogonal to the direction connecting the first ends is provided with an output electrode.
請求項4の発明は、請求項3に記載のホール素子であって、前記動作層が平面視において略十字形をなす十字形部分を有しており、前記十字形部分の互いに対向する2つの第1の先端部のそれぞれに前記入力電極を備えるとともに、前記第1の先端部と異なる2つの第2の先端部のそれぞれに前記出力電極を備える、ことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the Hall element according to the third aspect, wherein the operation layer has a cross-shaped portion having a substantially cross shape in a plan view, and the two cross-shaped portions facing each other. Each of the first tip portions includes the input electrode, and each of the two second tip portions different from the first tip portion includes the output electrode.
請求項5の発明は、磁気抵抗効果素子が、請求項1または請求項2に記載の磁気センサであって前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を備えるとともに、前記端子電極の間に複数の短絡電極を備えたものである、ことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the magnetoresistive effect element is the magnetic sensor according to the first or second aspect , wherein the magnetoresistive effect element includes a terminal electrode at each of opposing ends of the surface of the operating layer, and the terminal electrode A plurality of short-circuit electrodes are provided between them.
請求項6の発明は、ホール素子の作製方法であって、所定の基板の上にGaN層をエピタキシャル形成するGaN層形成工程と、前記GaN層の上に、AlGaN層をエピタキシャル形成するAlGaN層形成工程と、によって、前記GaN層と前記AlGaN層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、平面視において前記動作層の互いに対向する第1の端部のそれぞれに入力電極を形成するとともに、前記第1の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第2の端部のそれぞれに出力電極を形成する電極形成工程と、を備え、前記基板として、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をc軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、ことを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項6に記載のホール素子の作製方法であって、前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が2×10 12 /cm 3 以下となるように前記動作層を形成する、ことを特徴とする。
The invention of claim 6 is a method for manufacturing a Hall element, wherein a GaN layer forming step for epitaxially forming a GaN layer on a predetermined substrate, and an AlGaN layer forming for epitaxially forming an AlGaN layer on the GaN layer are formed. An operation layer forming step of forming an operation layer for forming a heterojunction structure between the GaN layer and the AlGaN layer, and a first end portion of the operation layer facing each other in plan view. Forming an input electrode, and forming an output electrode on each of the second ends facing each other in a direction substantially orthogonal to the direction connecting the first ends, , the surface is an m-plane or a-plane GaN, AlN, AlGaN, ZnO, single crystal substrate of hexagonal material selected from alpha-SiC, Oh Rui surface r surface Using one of the sapphire single crystal substrates, in the operation layer forming step, the operation layer having a crystal structure of a wurtzite structure is formed so that the c-axis is substantially parallel to the surface of the substrate. It is characterized by that.
The invention of
請求項8の発明は、請求項6または請求項7に記載のホール素子の作製方法であって、前記動作層形成工程が、前記動作層の一部を除去することによって前記動作層に平面視において略十字形をなす十字形部分を形成する除去工程、をさらに備え、前記電極形成工程においては、前記十字形部分の互いに対向する2つの第1の先端部のそれぞれに前記入力電極を形成するとともに、前記第1の先端部と異なる2つの第2の先端部のそれぞれに前記出力電極を形成する、ことを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the Hall element manufacturing method according to claim 6 or
請求項9の発明は、磁気抵抗効果素子の作製方法であって、所定の基板の上にGaN層をエピタキシャル形成するGaN層形成工程と、前記GaN層の上に、AlGaN層をエピタキシャル形成するAlGaN層形成工程と、によって、前記GaN層と前記AlGaN層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を形成するとともに前記端子電極の間に複数の短絡電極を形成する電極形成工程と、を備え、前記基板として、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をc軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、ことを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項9に記載の磁気抵抗効果素子の作製方法であって、前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が2×10 12 /cm 3 以下となるように前記動作層を形成する、ことを特徴とする。
The invention of claim 9 is a method of manufacturing a magnetoresistive effect element, wherein a GaN layer forming step for epitaxially forming a GaN layer on a predetermined substrate, and an AlGaN layer for epitaxially forming an AlGaN layer on the GaN layer A layer forming step, an operation layer forming step of forming an operation layer for forming a heterojunction structure of the GaN layer and the AlGaN layer, and a terminal electrode on each of opposite ends of the surface of the operation layer. Forming a plurality of short-circuit electrodes between the terminal electrodes, and the substrate is selected from GaN, AlN, AlGaN, ZnO, α-SiC whose surface is an m-plane or a-plane hexagonal single crystal substrate of crystal material, Oh Rui using either surface of the sapphire single crystal substrate is a r-plane, in the operation layer forming step, the crystal structure to be There generally is formed so as to be parallel to the active layer of c-axis surface of said substrate is a wurtzite structure, characterized in that.
A tenth aspect of the present invention is the method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to the ninth aspect, wherein the two-dimensional electron gas concentration in the two-dimensional electron gas region is 2 × 10 12 / cm in the operation layer forming step. The operation layer is formed to be 3 or less.
請求項1および請求項2の発明によれば、GaN層とAlGaN層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極効果や自発分極効果が抑制されることにより、接合界面近傍に蓄えられる二次元電子ガスの濃度が好適に抑制されることによって、室温から高温まで略同一の高い測定感度で動作する磁気センサが実現される。 According to the first and second aspects of the present invention, the concentration of the two-dimensional electron gas stored in the vicinity of the junction interface is reduced by suppressing the piezoelectric polarization effect and the spontaneous polarization effect in the heterojunction between the GaN layer and the AlGaN layer. By being suitably suppressed, a magnetic sensor that operates with approximately the same high measurement sensitivity from room temperature to high temperature is realized.
請求項3、請求項4、および請求項6ないし請求項8の発明によれば、GaN層とAlGaN層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極効果や自発分極効果が抑制されることにより、接合界面近傍に蓄えられる二次元電子ガスの濃度が好適に抑制されることによって、室温において高い測定感度を有するともに、高温でも室温と同程度の測定感度で使用できるホール素子が実現される。
According to the invention of
請求項5、請求項9、および請求項10の発明によれば、GaN層とAlGaN層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極効果や自発分極効果が抑制されることにより、接合界面近傍に蓄えられる二次元電子ガスの濃度が好適に抑制されることによって、室温から高温まで略同一の測定感度で動作する磁気抵抗効果素子が実現される。
According to the invention of
<第1の実施の形態>
本実施の形態においては、半導体のホール効果を利用して磁界を検出することができる磁気センサであるホール素子について説明する。
<First Embodiment>
In the present embodiment, a Hall element that is a magnetic sensor capable of detecting a magnetic field using the Hall effect of a semiconductor will be described.
<ホール素子の概要>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るホール素子10の上面図である。図2は、図1のA−B断面における(略中央部を通る)ホール素子10の断面図である。
<Outline of Hall element>
FIG. 1 is a top view of the
ホール素子10は、基板1の上に、動作層2と、2つの入力電極3a、3bと、2つの出力電極4a、4bとを備える。動作層2は、ホール素子10を平面視(上面視)した場合にその中央部に十字型の形状(十字形)を有するように形成されてなる。十字形は、各ラインについて、幅が数十μm程度、長さが数百μmとなるように形成するのが好適である。例えば、幅を50μm、長さを200μmとするのがその一例である。
The
2つの入力電極3a、3bは、係る動作層2の十字形の互いに対向する2つの先端部のそれぞれに該先端部を被覆するように設けられてなり、2つの出力電極4a、4bは、動作層2の十字形の、入力電極とは異なる2つの先端部のそれぞれに該先端部を被覆するように設けられてなる。
The two
係るホール素子10をその表面から裏面に向かう垂直な磁場中においた状態で、2つの入力電極3a、3bの間に定電流を流す(定電流駆動の場合)か、あるいは定電圧を印加する(定電圧駆動の場合)と、動作層2におけるホール効果によって2つの出力電極4a、4bの間には電位差(ホール電圧)が生じる。このホール電圧を測定することで、(温度一定の条件のもとでは)これに比例する値として当該磁場の磁束密度を求めることができる。
With the
図3は、ホール素子10の形成に用いる積層構造体5の断面模式図である。積層構造体5は、基板1の上に、動作層2をエピタキシャル形成したものである。動作層2は、第1層2aと、第2層2bとが積層された構造を有する。なお、基板1と第1層2aとの間には、第1層2aおよび第2層2bの結晶品質を良好なものとすることを目的として、AlNもしくはGaNからなる図示しないバッファ層が数十nm程度の厚みに設けられてなるのが好ましい。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the laminated
概略的に言えば、本実施の形態に係るホール素子10は、基板1の上に動作層2をエピタキシャル形成することで積層構造体5を得た後、図1に示すように、平面視した場合においてその中央部に十字形が残るように動作層2をフォトリソグラフィープロセスとRIE(反応性イオンエッチング)の手法を用いて除去したうえで、入力電極3a、3bと、2つの出力電極4a、4bとをフォトリソグラフィープロセスとEB(電子ビーム)蒸着の手法を用いて設けることによって、作製される。十字形を形成するためのエッチング深さは、例えば動作層2の厚みと同程度かそれよりもわずかに大きい程度(基板1の表面が多少エッチングされる程度)とするのが、好適な一例である。
Schematically speaking, the
基板1としては、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、表面がa面であるγ-LiAlO2単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかが用いられる。これらの基板を用いる理由については後述する。
As the
動作層2の第1層2aは、III族窒化物の1つであるGaNによって構成される半導体層である。また、第2層2bは、同じくIII族窒化物の1つであるAlGaNによって構成される半導体層である。なお、第1層2aは、数μm程度の厚みに形成されるのが好適である。第2層2bは、数十nm程度の厚みに形成されるのが好適である。動作層2の詳細については後述する。
The
入力電極3a、3bと、出力電極4a、4bとは、いずれも、Ti/Al/Ni/Auからなる多層電極として設けるのが好適な一例である。
Each of the
<動作層の構成とホール素子の特性の関係>
上述したように、動作層2においては、組成およびバンドギャップの相異なるIII族窒化物からなる第1層2aと第2層2bとが積層形成されてなることから、両層の境界にはヘテロ接合界面が形成されてなる。係るヘテロ接合界面においては、両層のバンドギャップならびに電子親和力の相違によって伝導バンドの谷が生じ、これによって、第1層2aにおける両層の積層界面から数nm程度の範囲に、電子が蓄えられた二次元電子ガス領域2gが形成される。すなわち、ホール素子10の動作は、係る二次元電子ガス領域2gに蓄えられた二次元電子ガスがキャリアとなることで実現される。
<Relationship between operation layer configuration and Hall element characteristics>
As described above, in the
ただし、動作層を半導体にて構成したホール素子を定電流駆動する場合は一般に、動作層におけるキャリア濃度が低いほど測定感度が高くなる(高いホール電圧が得られる)ことが知られている。そこで、本実施の形態に係るホール素子10においても、良好な測定感度が得られる程度に二次元電子ガス領域2gにおける二次元電子ガスの濃度が抑制されるように(二次元電子ガスの濃度が大きくなりすぎないように)、動作層2が構成されてなる。
However, it is generally known that when a Hall element whose operation layer is made of a semiconductor is driven at a constant current, the measurement sensitivity becomes higher (a higher Hall voltage is obtained) as the carrier concentration in the operation layer is lower. Therefore, also in the
具体的には、動作層2を構成する第1層2aおよび第2層2bがいずれも、ウルツ鉱型結晶構造を有するように、かつ、c軸が基板1の表面に対して略平行に向くように形成されてなる。より詳細に言えば、基板1として上述のように表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、表面がa面であるγ-LiAlO2単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用いることで、動作層2も、その面方位がm面あるいはa面であるように形成されてなる。
Specifically, the
係る構成を有することで、本実施の形態に係るホール素子10では、二次元電子ガス領域2gにおける二次元電子ガス濃度が2×1012/cm3以下に抑制されてなる。その結果、ホール素子10は、良好な測定感度を有するようになっている。
By having such a configuration, in the
例えば、上述したような種々の基板1の上にそれぞれ、第1層2aとして電子濃度が1×1012/cm3であるGaN層を2μmの厚みに形成し、第2層2bとしてAl0.2Ga0.8N層を25nmの厚みに形成し、動作層2の十字形部分を区画する際のエッチング深さを2μmとして得たホール素子10の場合、磁束密度が500Gの磁場中で、入力電流を2mAに保って定電流駆動を行うと、ホール電圧は62〜63mVという結果が得られる。また、係るホール素子を同じく磁束密度が500Gの磁場中で、室温から600℃まで加熱しつつ、入力電流を2mAに保った定電流駆動を行った場合、室温から600℃までの温度変化率は0.005%/℃以下という結果が得られる。
For example, a GaN layer having an electron concentration of 1 × 10 12 / cm 3 is formed as a
係る結果は、GaNからなる第1層2aと、AlGaNからなる第2層2bとが積層形成されてなる動作層2を有するホール素子10が、室温から600℃までの温度範囲において安定した定電流駆動動作を実現することを示すものに他ならない。すなわち、本実施の形態に係るホール素子10は、室温のみならず高温においても、定電流駆動によって室温とほぼ同じ程度の良好な測定感度で使用することができるものである。
As a result, the
<積層構造体の形成方法>
次に、上述のような構成を有する動作層2を実現するための積層構造体5の形成方法について説明する。積層構造体5は、MOCVD法によって形成することができる。すなわち、基板1を所定の反応管内のサセプタに載置し、基板1を所定の反応温度(形成温度)に昇温した後、該反応温度を保った状態で、III族原料ガス(第1層2aの場合はGa原料ガス、第2層2bの場合はGa原料ガスとAl原料ガス)およびV族原料ガスであるNH3ガスをそれぞれキャリアガスと共に所定の流量で流すことによって、それぞれウルツ鉱型構造を有する第1層2aと第2層2bとを順次にエピタキシャル形成することができる。第1層2aの形成温度は(950℃〜1200℃の範囲の所定温度、例えば1000℃とするのが好適であり、第2層2bの形成温度は950℃〜1200℃の範囲の所定温度、例えば同じく1000℃とするのが好適である。なお、上述のように、基板1の上にまず、400℃〜600℃の範囲の所定温度、例えば500℃でGaNもしくはAlNからなるバッファ層をあらかじめ形成したうえで、第1層2aおよび第2層2bを形成するのがより好ましい。
<Method for forming laminated structure>
Next, a method for forming the
なお、積層構造体5の形成は、第1層2a中の電子濃度の制御や、第2層2bの組成比の制御が可能である限りにおいて、MOCVD法以外のエピタキシャル成長手法、例えばMBE、HVPE、LPEなどの気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法によって行う態様であってもよいし、異なった成長法を組み合わせて行う態様であってもよい。
The
以上、説明したように、本実施の形態によれば、基板1として上述のように表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、表面がa面であるγ-LiAlO2単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、その上に、GaNからなる第1層2aとAlGaNからなる第2層2bとからなる動作層を、ウルツ鉱型結晶構造を有するように、かつ、c軸が基板の表面に対して略平行に向くように形成することで、室温において高い測定感度を有するともに、高温でも室温と同程度の測定感度で使用できるホール素子が実現される。
As described above, according to the present embodiment, the
<第2の実施の形態>
本実施の形態においては、半導体の磁気抵抗効果を利用して磁界を検出することができる磁気センサである磁気抵抗効果素子について説明する。
<Second Embodiment>
In the present embodiment, a magnetoresistive effect element that is a magnetic sensor capable of detecting a magnetic field using the magnetoresistive effect of a semiconductor will be described.
図4は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子200の構成を示す断面模式図である。磁気抵抗効果素子200は、基板201と、該基板201の上に形成された第1層202aと第2層202bとからなる動作層202と、さらに該動作層202の表面に形成された2つの端子電極203a、203bと、これら2つの端子電極203a、203bの間に形成された多数の短絡電極204を備える。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of the
係る磁気抵抗効果素子200をその表面から裏面に向かう垂直な磁場中においた状態で、2つの端子電極203a、203bの間に生じる抵抗変化を測定することで、当該磁場の磁束密度を求めることができる。
The magnetic flux density of the magnetic field can be obtained by measuring the resistance change generated between the two
基板201には、第1の実施の形態に係るホール素子10の基板1と同じものを用いる。また、動作層202は、第1の実施の形態に係るホール素子10の動作層2と同様に形成する。すなわち、動作層202を構成する第1層202aおよび第2層202bをいずれも、ウルツ鉱型結晶構造を有するように、かつ、c軸が基板1の表面に対して略平行に向くように形成する。
The
また、端子電極203a、203bと、短絡電極204は、いずれも、Ti/Al/Ni/Auからなる多層電極として設けるのが好適な一例である。これらは、フォトリソグラフィープロセスとEB蒸着の手法を用いて設けることによって形成可能である。
The
動作層202を上述のように形成することは、すなわち、第1の実施の形態においてホール素子10の形成に用いた積層構造体5を作製していることと同じである。従って、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子200においても、第1の実施の形態に係るホール素子10と同様に、動作層202においては第1層202aと第2層202bとの間にヘテロ接合界面が形成されてなり、第2層202bの該ヘテロ接合界面の近傍には、キャリアの移動領域となる二次元電子ガス領域202gが、二次元電子ガス濃度が2×1012/cm3以下であるように形成されてなる。
Forming the
磁気抵抗効果素子200の動作層202に求められる要件は、第1の実施の形態に係るホール素子10の動作層2に求められる要件と同じであるので、動作層202が上述のようにホール素子10の動作層2と同様の特徴を有することによって、磁気抵抗効果素子200においては高い測定感度が実現される。
Since the requirements for the
すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、第1の実施の形態に係るホール素子と同様に、高温でも良好な測定感度で使用することができるものとなっている。 That is, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment can be used with good measurement sensitivity even at a high temperature, like the Hall element according to the first embodiment.
(実施例1および比較例1)
実施例1として、第1の実施の形態に係るホール素子10を作成した。具体的には、基板1の種類が異なり動作層2が同一の7種類のホール素子10を作成した。
(Example 1 and Comparative Example 1)
As Example 1, the
基板1として、それぞれ2インチ径の単結晶基板である、m面((10−10)面)GaN基板、m面6H−SiC基板、m面ZnO基板、a面((11−20)面)GaN基板、m面6H−SiC基板、m面ZnO基板、r面((10−12)面)サファイア基板、ならびにa面((100)面)の8つの基板を用意した。また、比較例1となるホール素子を作製すべく、基板1としてc面((0001面))サファイア基板を用意した。
The
それぞれの基板1について、所定のMOCVD装置により積層構造体5を作製した。MOCVD装置においては、III族原料ガス供給系とV族原料ガス供給系とが個別に設けられてなり、III族原料ガスおよびV族原料ガスの双方をキャリアガスともども個別にサセプタ近傍まで供給できるようになっている。III族原料ガスとしてはTMGおよびTMAを用い、V族原料ガスとしてはNH3を用いた。キャリアガスとしては、水素ガスあるいは窒素ガスの一方または両方を適宜に用いた。
For each
具体的には、まず、MOCVD装置内のサセプタ上にそれぞれの単結晶基板を載置し、基板温度を1100℃として20分間の熱処理(サーマルクリーニング)を行った後、温度を500℃にして、AlNからなるバッファ層を30nmの厚みに形成した。 Specifically, first, each single crystal substrate is placed on a susceptor in an MOCVD apparatus, a substrate temperature is set to 1100 ° C., heat treatment (thermal cleaning) is performed for 20 minutes, and then the temperature is set to 500 ° C. A buffer layer made of AlN was formed to a thickness of 30 nm.
バッファ層の形成後、基板温度を1050℃として、第1層2aとしてのGaN膜を2μmの厚みに形成し、引き続き第2層2bとしてのAl0.2Ga0.8N膜を25nmの厚みに形成した。このようにして形成された動作層2について、X線回折測定により、c軸が基板1と略平行であることを確認した。
After the buffer layer was formed, the substrate temperature was set to 1050 ° C., the GaN film as the
得られた積層構造体5について、二次元電子ガス領域2gの二次元電子濃度を測定したところ、本実施例に係るいずれのサンプルにおいても1×1012/cm2程度であることが確認された。一方、比較例に係るサンプルについては、これよりも1オーダー大きい1×1013/cm2程度の値となった。
When the two-dimensional electron concentration in the two-dimensional electron gas region 2g was measured for the obtained
次に、フォトリソグラフィープロセスとRIE法とによって、幅50μmで長さ200μmの2本のラインが中央で直交したような十字形が形成されるように、積層構造体5の表面を2μmの深さにエッチング加工した。
Next, the surface of the
続いてフォトリソグラフィープロセスとEB蒸着により、十字形の各先端部分に、Ti/Al/Ni/Auからなる(膜厚は順に25/75/15/100nm)金属パターンを100μm角の大きさに形成した後、赤外線急速加熱炉で温度850℃、30秒間の合金化処理を行うことによって入力電極3a、3b、出力電極4a、4bを形成した。以上によって、実施例1および比較例1に係るホール素子が得られた。
Subsequently, a metal pattern made of Ti / Al / Ni / Au (thicknesses in order 25/75/15/100 nm) is formed in a size of 100 μm square at each tip portion of the cross shape by photolithography process and EB deposition. Then, the
これらのホール素子に、特性評価を可能とすべく、CVD法とフォトリソグラフィープロセスとを用いて、表面に窒化シリコンのパッシベーション膜を形成後、各電極部にコンタクトホールを開け、ワイアボンディングを行った。 In order to make it possible to evaluate the characteristics of these Hall elements, a CVD nitride film and a photolithography process were used to form a silicon nitride passivation film on the surface, and then contact holes were opened in each electrode portion, and wire bonding was performed. .
係る状態で、それぞれのホール素子について電気特性の評価を行った。具体的には、磁束密度500Gaussの磁場中で、2mAの定駆動電流を印加した状態にて、ホール電圧を測定した。また、室温から600℃まで加熱しつつ、定電流駆動動作におけるホール電圧の温度に対する変化率(温度変化率)についても評価を行った。 In this state, the electrical characteristics of each Hall element were evaluated. Specifically, the Hall voltage was measured in a magnetic field having a magnetic flux density of 500 Gauss with a constant drive current of 2 mA applied. Further, the rate of change of the Hall voltage with respect to the temperature (temperature change rate) in the constant current driving operation was evaluated while heating from room temperature to 600 ° C.
図5は、係るホール素子についての評価結果を一覧にして示す図である。図5からわかるように、実施例1に係るホール素子のいずれにおいても、室温でのホール電圧は62〜63mV程度であるのに対して、比較例1に係るホール素子の室温でのホール電圧は6.2mV程度に過ぎなかった。すなわち、第1の実施の形態に係るホール素子が、室温での測定感度が良好なホール素子であることが確認された。このように、二次元電子ガス領域における二次元電子濃度が小さい、実施例1に係るホール素子の方が、比較例1に係るホール素子よりも大きなホール電圧を有するという結果は、c軸が基板表面と略平行となるように動作層を形成することが、測定感度の優れたホール素子を実現するうえで有効である、ということを示している。 FIG. 5 is a diagram showing a list of evaluation results for such Hall elements. As can be seen from FIG. 5, in any of the Hall elements according to Example 1, the Hall voltage at room temperature is about 62 to 63 mV, whereas the Hall voltage at room temperature of the Hall element according to Comparative Example 1 is It was only about 6.2 mV. That is, it was confirmed that the Hall element according to the first embodiment is a Hall element having a good measurement sensitivity at room temperature. Thus, the result that the Hall element according to Example 1 having a small two-dimensional electron concentration in the two-dimensional electron gas region has a larger Hall voltage than the Hall element according to Comparative Example 1 is that the c-axis is a substrate. It shows that the formation of the operation layer so as to be substantially parallel to the surface is effective in realizing a Hall element having excellent measurement sensitivity.
また、ホール電圧の温度変化率は、実施例1および比較例1のいずれのホール素子についても0.005%/℃以下であった。すなわち、第1の実施の形態に係るホール素子が、高温においても室温と略同一の測定感度を有するものであることが確認された。 Moreover, the temperature change rate of the Hall voltage was 0.005% / ° C. or less for both the Hall elements of Example 1 and Comparative Example 1. That is, it was confirmed that the Hall element according to the first embodiment has a measurement sensitivity substantially the same as that at room temperature even at a high temperature.
(実施例2)
基板1としてm面のGaN基板を用い、第2層2bとしてのAlGaN層の組成を種々に違えるようにした他は、実施例1と同様の手順で、第1の実施の形態に係るホール素子10を作製した。具体的には、AlxG1-xNのxの値がそれぞれ0.16、0.20、0.27、0.34、0.42という5種類のホール素子10を作製した。
(Example 2)
The Hall element according to the first embodiment is similar to the first embodiment except that an m-plane GaN substrate is used as the
得られたホール素子10について、実施例1と同様に、定電流駆動による室温でのホール電圧の測定と、600℃の範囲までのホール電圧の温度変化率の測定を行った。
For the obtained
図6は、係るホール素子についての評価結果を、第2層2bの組成とともに一覧にして示す図である。図6からわかるように、実施例2に係るホール素子のいずれにおいても、室温でのホール電圧は62〜63mV程度であり、比較例1に係るホール素子より大きな値が得られた。
FIG. 6 is a table showing the evaluation results of the Hall element together with the composition of the
また、ホール電圧の温度変化率は、実施例2のいずれのホール素子についても0.005%/℃以下であった。 In addition, the temperature change rate of the Hall voltage was 0.005% / ° C. or less for all the Hall elements of Example 2.
すなわち、本実施例によって、第1の実施の形態に係るホール素子が、AlGaN層の組成によらず、良好な測定感度を有するものであることが確認された。 That is, according to this example, it was confirmed that the Hall element according to the first embodiment has good measurement sensitivity regardless of the composition of the AlGaN layer.
1、201 基板
10 ホール素子
2、202 動作層
2a、202a (動作層の)第1層
2b、202b (動作層の)第2層
2g、202g 二次元電子ガス領域
3a、3b 入力電極
4a、4b 出力電極
5 積層構造体
200 磁気抵抗効果素子
203a、203b 端子電極
204 短絡電極
1, 201
Claims (10)
前記基板が、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかであり、
前記動作層は、結晶構造がウルツ鉱型構造であるとともにc軸が前記基板の表面に対して略平行である、
ことを特徴とする磁気センサ。 A magnetic sensor comprising an operating layer having a heterojunction structure of a GaN layer and an AlGaN layer on a predetermined substrate,
The substrate is either a single crystal substrate of hexagonal material selected from GaN, AlN, AlGaN, ZnO, α-SiC whose surface is m-plane or a-plane, or sapphire single-crystal substrate whose surface is r-plane Yes,
The operation layer has a crystal structure of a wurtzite structure and a c-axis substantially parallel to the surface of the substrate.
Magnetic sensor characterized by the above.
前記動作層に形成される二次元電子ガス領域の二次元電子ガス濃度が2×1012/cm3以下である、
ことを特徴とする磁気センサ。 The magnetic sensor according to claim 1,
The two-dimensional electron gas concentration of the two-dimensional electron gas region formed in the working layer is 2 × 10 12 / cm 3 or less;
Magnetic sensor characterized by the above.
ことを特徴とするホール素子。 3. The magnetic sensor according to claim 1, wherein an input electrode is provided at each of the first end portions of the operation layer facing each other in a plan view, and the direction in which the first end portions are connected to each other. Each of the second ends facing each other in a substantially orthogonal direction is provided with an output electrode.
Hall element characterized by the above.
前記動作層が平面視において略十字形をなす十字形部分を有しており、前記十字形部分の互いに対向する2つの第1の先端部のそれぞれに前記入力電極を備えるとともに、前記第1の先端部と異なる2つの第2の先端部のそれぞれに前記出力電極を備える、
ことを特徴とするホール素子。 The hall element according to claim 3,
The operation layer has a cross-shaped portion having a substantially cross shape in plan view, and includes the input electrode at each of two first tip portions facing each other of the cross-shaped portion, and the first layer Each of the two second tip portions different from the tip portion includes the output electrode.
Hall element characterized by the above.
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 3. The magnetic sensor according to claim 1, wherein a terminal electrode is provided at each of opposite ends of the surface of the operation layer, and a plurality of short-circuit electrodes are provided between the terminal electrodes. ,
A magnetoresistive effect element.
所定の基板の上にGaN層をエピタキシャル形成するGaN層形成工程と、
前記GaN層の上に、AlGaN層をエピタキシャル形成するAlGaN層形成工程と、
によって、前記GaN層と前記AlGaN層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、
平面視において前記動作層の互いに対向する第1の端部のそれぞれに入力電極を形成するとともに、前記第1の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第2の端部のそれぞれに出力電極を形成する電極形成工程と、
を備え、
前記基板として、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、
前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をc軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、
ことを特徴とするホール素子の作製方法。 A method for producing a Hall element, comprising:
A GaN layer forming step of epitaxially forming a GaN layer on a predetermined substrate;
An AlGaN layer forming step of epitaxially forming an AlGaN layer on the GaN layer;
An operation layer forming step of forming an operation layer for forming a heterojunction structure between the GaN layer and the AlGaN layer,
An input electrode is formed at each of the first end portions of the operation layer facing each other in plan view, and second end portions of the operation layer facing each other in a direction substantially perpendicular to a direction connecting the first end portions. An electrode forming step for forming an output electrode for each;
With
As the substrate, either a single crystal substrate of hexagonal material selected from GaN, AlN, AlGaN, ZnO, α-SiC whose surface is m-plane or a-plane, or sapphire single-crystal substrate whose surface is r-plane Use
In the operation layer forming step, the operation layer whose crystal structure is a wurtzite structure is formed so that the c-axis is substantially parallel to the surface of the substrate.
A method for manufacturing a Hall element.
前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が2×1012/cm3以下となるように前記動作層を形成する、
ことを特徴とするホール素子の作製方法。 A manufacturing method of the Hall element according to claim 6,
In the operation layer forming step, the operation layer is formed so that the two-dimensional electron gas concentration in the two-dimensional electron gas region is 2 × 10 12 / cm 3 or less.
A method for manufacturing a Hall element.
前記動作層形成工程が、
前記動作層の一部を除去することによって前記動作層に平面視において略十字形をなす十字形部分を形成する除去工程、
をさらに備え、
前記電極形成工程においては、
前記十字形部分の互いに対向する2つの第1の先端部のそれぞれに前記入力電極を形成するとともに、前記第1の先端部と異なる2つの第2の先端部のそれぞれに前記出力電極を形成する、
ことを特徴とするホール素子の作製方法。 A manufacturing method of the Hall element according to claim 6 or 7,
The operation layer forming step includes
A removal step of forming a cross-shaped portion having a substantially cross shape in plan view by removing a part of the operation layer;
Further comprising
In the electrode forming step,
The input electrode is formed on each of the two first tip portions facing each other of the cross-shaped portion, and the output electrode is formed on each of the two second tip portions different from the first tip portion. ,
A method for manufacturing a Hall element.
所定の基板の上にGaN層をエピタキシャル形成するGaN層形成工程と、
前記GaN層の上に、AlGaN層をエピタキシャル形成するAlGaN層形成工程と、
によって、前記GaN層と前記AlGaN層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、
前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を形成するとともに前記端子電極の間に複数の短絡電極を形成する電極形成工程と、
を備え、
前記基板として、表面がm面もしくはa面であるGaN、AlN、AlGaN、ZnO、α−SiCから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がr面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、
前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をc軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の作製方法。 A method of manufacturing a magnetoresistive element,
A GaN layer forming step of epitaxially forming a GaN layer on a predetermined substrate;
An AlGaN layer forming step of epitaxially forming an AlGaN layer on the GaN layer;
An operation layer forming step of forming an operation layer for forming a heterojunction structure between the GaN layer and the AlGaN layer,
Forming an electrode on each of the opposing ends of the surface of the working layer and forming a plurality of short-circuit electrodes between the terminal electrodes; and
With
As the substrate, either a single crystal substrate of hexagonal material selected from GaN, AlN, AlGaN, ZnO, α-SiC whose surface is m-plane or a-plane, or sapphire single-crystal substrate whose surface is r-plane Use
In the operation layer forming step, the operation layer whose crystal structure is a wurtzite structure is formed so that the c-axis is substantially parallel to the surface of the substrate.
A method of manufacturing a magnetoresistive effect element.
前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が2×1012/cm3以下となるように前記動作層を形成する、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の作製方法。 A method for producing a magnetoresistive element according to claim 9,
In the operation layer forming step, the operation layer is formed so that the two-dimensional electron gas concentration in the two-dimensional electron gas region is 2 × 10 12 / cm 3 or less.
A method of manufacturing a magnetoresistive effect element.
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