JP6676972B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、グラフェン層を備える磁気センサに関するものである。

従来、ホール効果を用いて磁界の強度を検出するホール素子を有する磁気センサが知られている。ホール効果とは、電流の流れているものに対し、電流が流れる方向に垂直な磁界が印加されると、電流が流れる方向と磁界が印加された方向の両方に直交する方向に電位差が生じる現象である。ホール効果によって生じる電位差は、印加された磁界の磁束密度に比例するため、この電位差を用いて磁界の強度を検出することができる。

理想的には、磁束密度が０のときのホール素子の出力電圧は０である。しかし、実際には、ホール素子の製造ばらつき等により、磁束密度が０のときのホール素子の出力電圧が０にならず、オフセット電圧が生じることが多い。

オフセット電圧を除去する方法として、例えばスピニングカレント法が挙げられる。スピニングカレント法では、ホール素子の入力端子間に電流を流したときに出力端子から出力された電圧と、出力端子間に電流を流したときに入力端子から出力された電圧とを用いてオフセット電圧を除去する。しかしながら、各端子の切り替えに伴い、ホール素子において電流が流れる領域が変化するため、オフセット電圧を十分に除去できない場合がある。また、ホール素子の形状を４回対称とする必要がある。

これに対し、グラフェンを用いたホール素子では、ゲート電極に印加する電圧によってグラフェンを流れるキャリアの種類を変更できる。そして、キャリアの種類を変更する前後の出力電位差を用いてオフセット電圧を除去することが可能である。そのため、グラフェンを用いたホール素子では、オフセット電圧の除去のためにホール素子の形状を４回対称とする必要がなく、ホール素子の感度がより高くなるように形状を設定することができる。例えば、ホール素子の形状を線対称とすることができる。

このようなグラフェンを用いた磁気センサについて、例えば特許文献１では、グラフェン層と電気的に絶縁されたゲート電極を備える磁気センサが提案されている。この磁気センサでは、ゲート電極に印加する電圧を変化させることで、ホール素子の感度の調整を図っている。

特開２０１１−４０７５０号公報

ホール素子の感度は、チャネル長が短いほど高くなる。しかしながら、電極付近ではキャリア濃度がピンニングされる。そして、特許文献１に記載の磁気センサにおいて感度を高くするためにチャネル長を短くしていくと、キャリア濃度がピンニングされた部分の長さのチャネル長に占める割合が大きくなっていく。そのため、チャネル長を短くすると、ゲート電圧による感度変調や、キャリア種類の変換などができなくなり、磁気センサの感度を十分に向上させることができないという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、感度を向上させることができる磁気センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板（１）と、基板の一面側に形成されたグラフェン層（２）と、グラフェン層の表面に、一方向に並ぶように形成された２つの電流リード電極（３）と、グラフェン層の表面に、一方向とは異なる他方向に並ぶように形成された２つの電圧リード電極（４）と、グラフェン層の表面に形成された第１絶縁膜（５、９）と、第１絶縁膜によりグラフェン層と電気的に絶縁された第１ゲート電極（６、８）と、を備え、グラフェン層に、第１ゲート電極にゲート電圧を印加することにより電気抵抗が変化する領域（２ａ）が少なくとも１つ形成されており、領域の１つは、２つの電流リード電極の一方に隣接しており、他方から離れている。

このような構成では、第１ゲート電極にゲート電圧を印加し、グラフェン層のうち電流リード電極に隣接する領域の電気抵抗を小さくすることにより、実効的なチャネル長を短くして、磁気センサの感度を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる磁気センサの斜視図である。 本発明の第１実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 図２のIII−III断面図である。 グラフェンを用いたトランジスタの断面図である。 ゲート電圧とグラフェンの電気抵抗との関係を示すグラフである。 磁気センサの動作を示す断面図である。 グラフェン層の面内方向の位置とエネルギーとの関係を示すグラフである。 グラフェン層の面内方向の位置と電気抵抗との関係を示すグラフである。 磁気センサの動作を示す断面図である。 グラフェン層の面内方向の位置とエネルギーとの関係を示すグラフである。 グラフェン層の面内方向の位置と電気抵抗との関係を示すグラフである。 磁束密度とホール電圧との関係を示すグラフである。 比較例の斜視図である。 グラフェン層の面内方向の位置とキャリア濃度との関係を示すグラフである。 第１実施形態の変形例の平面図である。 図１５のXVI−XVI断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 本発明の第３実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 図１８のXIX−XIX断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 本発明の第５実施形態にかかる磁気センサの平面図である。 図２１のXXII−XXII断面図である。 本発明の第６実施形態にかかる磁気センサの断面図であって、図２２に相当する図である。 本発明の他の実施形態にかかる磁気センサの断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる磁気センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の磁気センサは、ホール効果を用いて磁界の強度を検出するものであり、図１〜図３に示すように、基板１と、グラフェン層２と、２つの電流リード電極３と、２つの電圧リード電極４と、絶縁膜５と、ゲート電極６と、を備える。

なお、図２では、絶縁膜５の図示を省略している。また、図２は断面図ではないが、図を見やすくするために、電流リード電極３、電圧リード電極４、ゲート電極６にハッチングを施してある。

図３に示すように、基板１は、Ｓｉ層１ａとＳｉＯ_２層１ｂとが積層されて構成されている。基板１のうちＳｉＯ_２層１ｂが形成された一面側には、グラフェン層２が形成されている。Ｓｉ層１ａ、ＳｉＯ_２層１ｂは、それぞれ、第２ゲート電極、第２絶縁膜に相当し、Ｓｉ層１ａは、ＳｉＯ_２層１ｂによって、グラフェン層２と電気的に絶縁されている。

グラフェン層２は本実施形態の磁気センサにおいてホール素子として用いられるものである。図１、図２に示すように、本実施形態では、グラフェン層２の上面形状は、矩形状とされている。

図１〜図３に示すように、グラフェン層２の表面には、一方向（図２、図３中紙面左右方向）に並ぶように、２つの電流リード電極３が形成されている。具体的には、グラフェン層２の基板１とは反対側の面を一面とし、基板１側の面を他面とし、一面と他面とを連結する面を側面とすると、電流リード電極３は、基板１の表面から、グラフェン層２の側面のうち一方向に対向する部分を通り、グラフェン層２の一面に至るように形成されている。

電流リード電極３は、磁気センサの入力端子として用いられるものであり、外部の回路から電圧が印加されることにより、２つの電流リード電極３の間に電流が流れる。電流リード電極３は、例えば金、アルミニウム等の非磁性の導電材料で構成されている。

図１、図２に示すように、グラフェン層２の表面には、前述した一方向とは異なる他方向（図２中紙面上下方向）に並ぶように、２つの電圧リード電極４が形成されている。具体的には、電圧リード電極４は、基板１の表面から、グラフェン層２の側面のうち他方向に対向する部分に至るように形成されている。

電圧リード電極４は、磁気センサの出力端子として用いられるものであり、グラフェン層２に磁界が印加されることにより、２つの電圧リード電極４の間に、印加された磁界の磁束密度に応じた電位差が生じる。電圧リード電極４は、例えば金、アルミニウム等の非磁性の導電材料で構成されている。

図１、図３に示すように、グラフェン層２の一面、および、電流リード電極３の表面には、絶縁膜５が形成されている。本実施形態では、絶縁膜５は、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４等で構成された固体絶縁膜とされている。絶縁膜５は、第１絶縁膜に相当する。

絶縁膜５の表面にはゲート電極６が積層されており、ゲート電極６は、絶縁膜５によりグラフェン層２と電気的に絶縁されている。本実施形態では、ゲート電極６は、例えば金、アルミニウム等の非磁性の金属材料で構成されている。ゲート電極６は、第１ゲート電極に相当する。

後述するように、ゲート電極６に印加する電圧を変化させると、グラフェン層２の電気抵抗が変化する。本実施形態では、ゲート電極６へのゲート電圧の印加により、グラフェン層２のうちゲート電極６の下方に位置する領域の電気抵抗が変化する。グラフェン層２のうちゲート電極６へのゲート電圧の印加により電気抵抗が変化する領域を領域２ａとする。領域２ａは、少なくとも１つ形成されている。

図１〜図３に示すように、本実施形態の磁気センサは、ゲート電極６を２つ備えており、これにより、領域２ａが２つ形成されている。そして、一方の領域２ａは、図３中紙面右側の電流リード電極３に隣接しており、図３中紙面左側の電流リード電極３から離されている。また、他方の領域２ａは、図３中紙面左側の電流リード電極３に隣接しており、図３中紙面右側の電流リード電極３から離されている。また、２つのゲート電極６は、２つの領域２ａが互いに離されるように配置されている。

このような構成の磁気センサを製造するには、まず、Ｓｉで構成される基板の表面を熱酸化してＳｉ層１ａとＳｉＯ_２層１ｂとの積層構造を形成し、これにより、基板１を形成する。つぎに、基板１の表面にグラファイトから剥離させたグラフェンを貼り付けることによりグラフェン層２を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、基板１の表面およびグラフェン層２の表面に電流リード電極３および電圧リード電極４を形成する。最後に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等により、グラフェン層２、電流リード電極３、電圧リード電極４の表面に絶縁膜５を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、絶縁膜５の表面にゲート電極６を形成する。なお、絶縁膜５は、電流リード電極３の一部と電圧リード電極４の一部が露出するように形成される。これにより、電流リード電極３および電圧リード電極４を外部の回路に接続することが可能となる。

本実施形態の磁気センサでは、ホール効果を用いて、グラフェン層２に印加される磁界の磁束密度を検出する。

２つの電流リード電極３を通してグラフェン層２に電流を流したとき、２つの電圧リード電極４から出力されるホール電圧Ｖ_Ｈは、Ｖ_Ｈ＝ＳＢで表される。ここで、Ｓは磁気センサの感度、Ｂはグラフェン層２に印加された磁界の磁束密度である。

また、感度Ｓは、グラフェン層２の移動度をμ、電流リード電極３間のチャネル幅をＷ、チャネル長をＬ、磁気センサへの入力電圧をＶ_ｉｎとすると、Ｓ＝μ・（Ｗ／Ｌ）・Ｖ_ｉｎで表される。このように、感度ＳはＷ／Ｌに比例し、チャネル長Ｌが短いほど感度Ｓが高くなる。

本実施形態では、グラフェンの性質を利用して実効的なチャネル長を短くすることにより、感度Ｓを高くしている。これについて、まず、ゲート電圧の変化によるグラフェンの電気抵抗の変化について図４、図５を用いて説明する。

図４は、グラフェンを用いたトランジスタの断面図である。このトランジスタは、基板１１と、基板１１の表面に形成されたグラフェン層１２と、グラフェン層１２の一方向の両端部に形成された電極１３と、グラフェン層１２および電極１３の表面に形成された絶縁膜１４とを備えている。基板１１は、図示しないＳｉ層とＳｉＯ_２層とが積層されて形成されており、グラフェン層１２は基板１１のＳｉＯ_２層の表面に形成されている。

このような構成のトランジスタにおいて、基板１１に対して電源２０から印加されるバックゲート電圧をＶ_ＢＧとすると、グラフェン層１２のキャリア濃度は、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧによって変化する。

具体的には、図５に示すように、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧが小さいほど正孔の濃度が高くなり、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧが大きいほど電子の濃度が高くなる。そして、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧがある電圧Ｖ_ＣＮＰと等しいとき、電子の濃度と正孔の濃度が等しくなる。この電圧Ｖ_ＣＮＰは電荷中性点と呼ばれる。

また、電荷素量をｑ、キャリア濃度をｎ（Ｖ_ＢＧ）とすると、グラフェンの抵抗率ρは、ρ＝１／｛ｑ・ｎ（Ｖ_ＢＧ）・μ｝となる。

このような性質により、グラフェン層１２の電気抵抗は、図５に示すように変化する。つまり、グラフェン層１２のシート抵抗をＲ（Ω／□）とすると、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧが電荷中性点Ｖ_ＣＮＰと等しいとき、シート抵抗Ｒは極大となり、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧと電荷中性点Ｖ_ＣＮＰとの差が大きくなるにつれて、シート抵抗Ｒは小さくなる。

図４に示すトランジスタはトップゲート電極を備えていないが、絶縁膜１４の表面にトップゲート電極を形成し、トップゲート電圧を印加した場合にも、グラフェン層１２のシート抵抗Ｒは、図５と同様に変化する。

本実施形態では、トップゲート電極としてゲート電極６が２つ形成されている。また、一方のゲート電極６は、グラフェン層２のうち、一方の電流リード電極３に隣接する部分の上部に形成されており、他方のゲート電極６は、グラフェン層２のうち、他方の電流リード電極３に隣接する部分の上部に形成されている。このようにゲート電極６を部分的に形成することにより、本実施形態の磁気センサは図６〜図１１に示すように動作する。

具体的には、図６に示すように、電源２０から基板１のＳｉ層１ａに対してバックゲート電圧Ｖ_ＢＧを印加すると、図４に示すトランジスタと同様に、グラフェン層２のキャリア濃度が図７に示すように変化する。ここでは、Ｖ_ＣＮＰ＜Ｖ_ＢＧとして、電子の濃度を正孔の濃度よりも高くしている。

これにより、グラフェン層２のうち２つの電流リード電極３で挟まれた部分の電気抵抗が変化する。具体的には、図８に示すように、グラフェン層２の電気抵抗は、２つの電流リード電極３の下方に位置する２つの部分においては、ほぼ０となり、これら２つの部分に挟まれ、チャネルが形成される領域においては、０よりも大きい値であるＲ_１となる。

この状態において、図９に示すように、電源２１からゲート電極６に対してトップゲート電圧Ｖ_ＴＧを印加すると、グラフェン層２のキャリア濃度が図１０に示すように変化する。ここでは、Ｖ_ＣＮＰ＜Ｖ_ＢＧ、０＜Ｖ_ＴＧとして、グラフェン層２のうちゲート電極６の下方に位置する領域２ａの電子の濃度をさらに高くしている。これにより、図１１に示すように、グラフェン層２の電気抵抗は、電流リード電極３の下方に位置する領域および領域２ａにおいては、ほぼ０となり、２つの領域２ａに挟まれた領域においてはＲ_１となる。

このように、部分的に形成されたゲート電圧６へのトップゲート電圧Ｖ_ＴＧの印加により、グラフェン層２のキャリアの種類および濃度が部分的に変化し、部分的なキャリア濃度の変化により、電気抵抗が部分的に変化する。そして、トップゲート電圧Ｖ_ＴＧを十分に大きくすることにより、領域２ａの電気抵抗がほぼ０となる。これにより、実効的なチャネル長Ｌ^＊が、２つの領域２ａ間の距離と等しくなり、元のチャネル長Ｌよりも短くなる。

以上説明したように、本実施形態では、ゲート電極６へのトップゲート電圧Ｖ_ＴＧの印加により、実効的なチャネル長Ｌ^＊がチャネル長Ｌよりも短くなり、Ｗ／Ｌ^＊がＷ／Ｌよりも大きくなる。したがって、図１２に示すように、磁束密度Ｂの変化に対するホール電圧Ｖ_Ｈの変化が大きくなる。すなわち、磁気センサの感度が向上する。

また、本実施形態の磁気センサでは、電流リード電極３付近におけるキャリア濃度のピンニングの影響を低減することができる。これについて、図１３、図１４を用いて説明する。

図１３に示す磁気センサは、本実施形態と同様に基板１、グラフェン層２、電流リード電極３、電圧リード電極４を備えているが、本実施形態の磁気センサとは異なり、絶縁膜５およびゲート電極６を備えていない。

このような磁気センサでは、図１４に示すように、グラフェン層２のうち電流リード電極３付近において、キャリア濃度がピンニングされる。なお、図１４において、実線は、Ｖ_ＢＧ＝Ｖ_ＣＮＰのときのキャリア濃度を示し、破線は、Ｖ_ＢＧ＜Ｖ_ＣＮＰのときのキャリア濃度を示し、一点鎖線は、Ｖ_ＣＮＰ＜Ｖ_ＢＧのときのキャリア濃度を示している。また、図１４において、キャリア濃度が正であるとは、正孔の濃度が電子の濃度よりも大きいことを示し、キャリア濃度が負であるとは、電子の濃度が正孔の濃度よりも大きいことを示し、キャリア濃度が０であるとは、電子の濃度が正孔の濃度と等しいことを示している。

図１４に示すように、グラフェン層２のうち電流リード電極３からの距離がＬ_Ｅ未満の部分においては、キャリア濃度がピンニングされる。前述したように、チャネル長Ｌが短いほど磁気センサの感度が高くなるが、チャネル長Ｌが短いほど、ピンニング距離Ｌ_Ｅのチャネル長Ｌに占める割合が大きくなり、キャリア濃度のピンニングの影響が大きくなる。したがって、図１３に示す比較例では、バックゲート電圧Ｖ_ＢＧを変化させても、キャリアの種類と濃度を十分に変調できず、磁気センサの感度を十分に向上させることができない。

これに対し、本実施形態では、領域２ａが電流リード電極３に隣接するように、部分的にゲート電極６を形成し、これに十分大きなトップゲート電圧Ｖ_ＴＧを印加することにより、実効的なチャネル長Ｌ^＊を元のチャネル長Ｌよりも領域２ａの一方向の幅の分だけ短くしている。したがって、元のチャネル長Ｌを十分大きくするとともに、ゲート電極６の一方向の幅を十分大きくして領域２ａの一方向の幅を十分大きくすることにより、電流リード電極３付近におけるキャリア濃度のピンニングの影響を低減することができる。これにより、磁気センサの感度をさらに向上させることができる。

なお、本実施形態では、基板１の表面にグラファイトから剥離させたグラフェンを貼り付けることによりグラフェン層２を形成したが、基板１とは別の基板にＣＶＤ等によりグラフェン層を形成し、形成したグラフェン層を基板１に転写することにより、グラフェン層２を形成してもよい。

また、本実施形態の磁気センサでは、２つのゲート電極６が形成されているが、図１５、図１６に示す変形例のように、ゲート電極６が１つのみ形成されていてもよい。なお、図１５は断面図ではないが、図を見やすくするために、電流リード電極３、電圧リード電極４、ゲート電極６にハッチングを施してある。

図１５、図１６に示す変形例では領域２ａが１つのみ形成され、ゲート電極６にゲート電圧を印加することにより、１つの領域２ａの一方向の幅の分だけ実効的なチャネル長が短くなり、磁気センサの感度が向上する。また、一方の電流リード電極３付近におけるキャリア濃度のピンニングの影響を低減し、磁気センサの感度をさらに向上させることができる。ただし、磁気センサの精度を向上させるためには、本実施形態のようにゲート電極６を２つ形成し、磁気センサの形状を図２中上下方向に平行な直線を軸として線対称とすることが好ましい。また、チャネル長の変調幅を大きくするために、ゲート電極６を２つ形成することが好ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してグラフェン層２の形状を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１７に示すように、本実施形態では、グラフェン層２は、上面形状が十字状とされている。そして、２つの電流リード電極３および２つの電圧リード電極４は、それぞれ、グラフェン層２が構成する十字形状における４つの先端部に形成されている。なお、図１７は断面図ではないが、図を見やすくするために、電流リード電極３、電圧リード電極４、ゲート電極６にハッチングを施してある。

このような構成とされた本実施形態の磁気センサでは、実効的なチャネル幅Ｗ^＊をグラフェン層２のうち電流リード電極３が形成された部分の他方向の幅に比べて大きくすることができる。これにより、Ｗ^＊／Ｌ^＊＞Ｗ／Ｌ^＊となり、図１２に示すように、磁気センサの感度をさらに向上させることができる。また、ゲート電極６に電圧を印加していない状態における初期感度を向上させることができる。

また、本実施形態では、電圧リード電極４を他方向において領域２ａから離されるように形成することができる。これにより、電圧リード電極４の電位に対する領域２ａの電位の干渉を低減し、検出精度を向上させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して電圧リード電極４およびゲート電極６の形状を変更したものであり、その他に関しては第２実施形態と同様であるため、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１８に示すように、本実施形態では、電圧リード電極４の一方向の幅は、グラフェン層２のうち電圧リード電極４が形成された先端部の一方向の幅よりも小さくされている。

これにより、図１８、図１９に示すように、ゲート電極６の一方向の幅を第２実施形態に比べて大きくすることができる。具体的には、ゲート電極６を、グラフェン層２のうち電流リード電極３に隣接する部分の上部から、他方向に延設された部分の上部に至るように形成することができる。なお、図１８は断面図ではないが、図を見やすくするために、電流リード電極３、電圧リード電極４、ゲート電極６にハッチングを施してある。

本実施形態では、電圧リード電極４の一方向の幅が、２つのゲート電極６間の距離と等しくされており、電圧リード電極４は、２つの領域２ａと接している。

このようにゲート電極６をグラフェン層２のうち他方向に延設された部分の上部に至るように形成することにより、実効的なチャネル長Ｌ^＊がさらに短くなる。したがって、Ｗ^＊／Ｌ^＊をＷ／Ｌに比べてさらに大きくし、磁気センサの感度をさらに向上させることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して電圧リード電極４の形状を変更したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２０に示すように、本実施形態では、電圧リード電極４の一方向の幅が、２つのゲート電極６間の距離に比べて小さくされている。そして、電圧リード電極４は、２つの領域２ａから離されている。なお、図２０は断面図ではないが、図を見やすくするために、電流リード電極３、電圧リード電極４、ゲート電極６にハッチングを施してある。

ゲート電極６がグラフェン層２のうち他方向に延設された部分の上部に至るように形成された場合においても、このように電圧リード電極４を領域２ａから離して配置することにより、電圧リード電極４の電位に対する領域２ａの電位の干渉を低減し、磁気センサの検出精度を向上させることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第４実施形態に対して絶縁膜５の構成とゲート電極６の位置を変更したものであり、その他に関しては第４実施形態と同様であるため、第４実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、絶縁膜５がイオンゲルで構成されている。また、図２１、図２２に示すように、絶縁膜５は２つに分かれている。２つに分かれた絶縁膜５をそれぞれ絶縁膜５ａ、５ｂとする。なお、図２１は断面図ではないが、図を見やすくするために、電流リード電極３、電圧リード電極４、絶縁膜５、ゲート電極６にハッチングを施してある。

図２１に示すように、本実施形態のゲート電極６は、基板１の表面に形成されている。そして、絶縁膜５ａは、グラフェン層２の一面のうち一方の電流リード電極３に隣接する部分から、グラフェン層２の側面および基板１の表面を通り、一方のゲート電極６の表面に至るように形成されている。また、絶縁膜５ｂは、グラフェン層２の一面のうち他方の電流リード電極３に隣接する部分から、グラフェン層２の側面および基板１の表面を通り、他方のゲート電極６の表面に至るように形成されており、絶縁膜５ａから離されて配置されている。

また、絶縁膜５ａ、５ｂは、グラフェン層２の一面のうち電流リード電極３に隣接する部分から他方向に延設された部分に至るように形成されており、電圧リード電極４から離されて配置されている。

図２２に示すように、本実施形態では、領域２ａは、グラフェン層２のうち絶縁膜５の下方に位置する部分に形成される。

このような構成の磁気センサは、第１実施形態と同様の工程でグラフェン層２を形成した後、電流リード電極３、電圧リード電極４とゲート電極６とを同一の工程で形成し、グラフェン層２の一面および側面、基板１の表面、ゲート電極６の表面にイオンゲルを貼り付けることで製造できる。

絶縁膜５をイオンゲルで構成した場合の実効的な絶縁膜の厚みは、絶縁膜５を固体絶縁膜で構成した場合の厚みに比べて小さい。絶縁膜５を固体絶縁膜で構成した場合の厚みは例えば数十〜数百ｎｍであるが、絶縁膜５をイオンゲルで構成した場合の厚みは例えば数ｎｍである。

これにより、ゲート電極６に印加する電圧の低電圧化が可能となる。例えば、電荷中性点Ｖ_ＣＮＰや、グラフェン層２の電気抵抗をほぼ０にするために必要なゲート電圧が、絶縁膜５を固体絶縁膜とした場合の１％程度となる。したがって、グラフェン層２の電気抵抗の変調が容易になる。

また、絶縁膜５をイオンゲルで構成することにより、磁気センサを、ゲート電極６を基板１の表面に形成したサイドゲート構造とすることが可能となる。これにより、電流リード電極３、電圧リード電極４とゲート電極６とを同一の工程で形成することが可能となるため、磁気センサの製造プロセスが容易になる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、第５実施形態に対して封止膜７を追加したものであり、その他に関しては第５実施形態と同様であるため、第５実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２３に示すように、本実施形態の磁気センサは、封止膜７を備えている。封止膜７は、絶縁膜５およびグラフェン層２を封止し、保護するものであり、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、パリレン（登録商標）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等で構成される。

磁気センサが置かれる場所において、真空度やガス等の雰囲気が変化すると、グラフェン層２の特性が変化する。例えば、グラフェン層２が直接、あるいはイオンゲルで構成された絶縁膜５を通してＮＨ_３、ＮＯ_ｘ等の雰囲気中に長時間置かれると、電荷中性点Ｖ_ＣＮＰが変化し、磁気センサの検出精度が低下する。

これに対し、本実施形態では、絶縁膜５およびグラフェン層２を封止膜７により封止している。これにより、雰囲気の状態変化によるグラフェン層２の特性の変化を抑制し、磁気センサの検出精度をさらに向上させることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、基板１をＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等の樹脂で構成してもよい。基板１を樹脂で構成する場合、図２４に示すように、基板１の表面にゲート電極８、絶縁膜９を積層し、絶縁膜９の表面にグラフェン層２等を形成すればよい。ゲート電極８は、例えば印刷、蒸着により形成される。ゲート電極８、絶縁膜９は、それぞれ、第２ゲート電極、第２絶縁膜に相当する。

また、図２５に示すように、１つのゲート電極６をグラフェン層２の上部の全体に形成し、２つのゲート電極８をグラフェン層２のうち２つの電流リード電極３の一方に隣接する部分と、他方に隣接する部分にそれぞれ形成してもよい。このような構成では、ゲート電極６にトップゲート電圧Ｖ_ＴＧを印加することにより、グラフェン層２のうち２つの電流ゲート電極３で挟まれた部分のキャリア濃度および電気抵抗が変化する。そして、ゲート電極８にバックゲート電圧Ｖ_ＢＧを印加することにより、グラフェン層２のキャリア濃度が部分的に変化し、電気抵抗が部分的に変化する。このようにグラフェン層２の電気抵抗を制御することにより、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。図２５に示す構成では、ゲート電極８、絶縁膜９がそれぞれ第１ゲート電極、第１絶縁膜に相当し、ゲート電極６、絶縁膜５がそれぞれ第２ゲート電極、第２絶縁膜に相当する。

また、図２４に示すように、ゲート電極６が、グラフェン層２のうち電流リード電極３に隣接する部分の上部に加えて電流リード電極３の上部にも形成されていてもよい。

また、磁気センサの動作において、Ｖ_ＢＧ＜Ｖ_ＣＮＰ、Ｖ_ＴＧ＜０とし、グラフェン層２の正孔の濃度を電子の濃度より高くして、電気抵抗を変化させてもよい。

また、磁気センサにバックゲート電圧を印加せず、トップゲート電圧のみを印加してもよい。

１ 基板
２ グラフェン層
３ 電流リード電極
４ 電圧リード電極
５ 絶縁膜
６ ゲート電極
８ ゲート電極
９ 絶縁膜

Claims (10)

1. 基板（１）と、
   前記基板の一面側に形成されたグラフェン層（２）と、
   前記グラフェン層の表面に、一方向に並ぶように形成された２つの電流リード電極（３）と、
   前記グラフェン層の表面に、前記一方向とは異なる他方向に並ぶように形成された２つの電圧リード電極（４）と、
   前記グラフェン層の表面に形成された第１絶縁膜（５、９）と、
   前記第１絶縁膜により前記グラフェン層と電気的に絶縁された第１ゲート電極（６、８）と、を備え、
   前記グラフェン層に、前記第１ゲート電極にゲート電圧を印加することにより電気抵抗が変化する領域（２ａ）が少なくとも１つ形成されており、
   前記領域の１つは、前記２つの電流リード電極の一方に隣接しており、他方から離れている磁気センサ。
2. 前記グラフェン層の前記第１絶縁膜とは反対側の表面に形成された第２絶縁膜（１ｂ、５、９）と、
   前記第２絶縁膜により前記グラフェン層と電気的に絶縁された第２ゲート電極（１ａ、６、８）と、を備え、
   前記第２ゲート電極にゲート電圧を印加することにより、前記グラフェン層のうち前記２つの電流リード電極で挟まれた部分の電気抵抗が変化する請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記第１ゲート電極を２つ備え、
   前記第１ゲート電極が２つ備えられることにより前記領域が２つ形成され、
   ２つの前記領域の一方は、前記２つの電流リード電極の一方に隣接し、他方から離れており、
   ２つの前記領域の他方は、前記２つの電流リード電極の他方に隣接し、一方から離れており、
   ２つの前記領域は、互いに離されている請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記グラフェン層は、上面形状が十字状とされており、
   前記２つの電流リード電極および前記２つの電圧リード電極は、それぞれ、前記グラフェン層が構成する十字形状における４つの先端部に形成されている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の磁気センサ。
5. 前記電圧リード電極の前記一方向の幅は、前記グラフェン層のうち前記電圧リード電極が形成された先端部の前記一方向の幅よりも小さくされている請求項４に記載の磁気センサ。
6. 前記電圧リード電極は、前記領域から離されて配置されている請求項３または５に記載の磁気センサ。
7. 前記第１絶縁膜は、固体絶縁膜で構成され、
   前記第１ゲート電極は、前記第１絶縁膜に積層された金属電極で構成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
8. 前記第１絶縁膜はイオンゲルで構成されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
9. 基板（１）と、
   前記基板の表面に形成された第１ゲート電極（８）と、
   前記第１ゲート電極の表面に形成された第１絶縁膜（９）と、
   前記第１絶縁膜の表面に形成され、前記第１絶縁膜により前記第１ゲート電極と電気的に絶縁されたグラフェン層（２）と、
   前記グラフェン層の表面に、一方向に並ぶように形成された２つの電流リード電極（３）と、
   前記グラフェン層の表面に、前記一方向とは異なる他方向に並ぶように形成された２つの電圧リード電極（４）と、を備え、
   前記グラフェン層に、前記第１ゲート電極にゲート電圧を印加することにより電気抵抗が変化する領域（２ａ）が少なくとも１つ形成されており、
   前記領域の１つは、前記２つの電流リード電極の一方に隣接しており、他方から離れている磁気センサ。
10. 前記第１絶縁膜および前記グラフェン層を封止する封止膜（７）を備える請求項８または９に記載の磁気センサ。

Images