JPH0325035B2 - - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
- H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices
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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、感度の高いホール素子に関する。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] The present invention relates to a highly sensitive Hall element.
［従来の技術］
周知のようにホール素子は磁界測定装置として
知られているが、他に例えは無接点スイツチ、無
接点エンコーダ、歯車を用いた位置決めセンサ、
非接触電流測定、さらにブラシレスモータ等への
種々の用途への適用が期待されている。[Prior Art] As is well known, Hall elements are known as magnetic field measuring devices, but other examples include non-contact switches, non-contact encoders, positioning sensors using gears,
It is expected to be applied to various applications such as non-contact current measurement and brushless motors.
ところで、ホール素子の特性は、使用される半
導体材料によつてほぼ決定されるといつてもよ
い。すなわち、磁気感応部のキヤリア移動度に左
右される。そこで高感度ホール素子を得るため
に、比較的キヤリア移動度の高い半導体材料
GaAs、InAs等の化合物半導体材料によつて形成
されている。 By the way, it can be said that the characteristics of the Hall element are substantially determined by the semiconductor material used. That is, it depends on the carrier mobility of the magnetically sensitive section. Therefore, in order to obtain a highly sensitive Hall element, semiconductor materials with relatively high carrier mobility were used.
It is formed from a compound semiconductor material such as GaAs or InAs.
また、磁気感応部の厚さを薄くすることによつ
て高感度を実現することができる（特開昭57−
177583号公報参照）。 In addition, high sensitivity can be achieved by reducing the thickness of the magnetically sensitive part (Japanese Patent Application Laid-Open No.
(See Publication No. 177583).
［発明が解決しようとする課題］
しかしながら上述した従来のホール素子ではバ
ルク内の効果を利用するものであり、さらに高性
能化を考慮して素子を薄膜化する場合、また素子
の小型化、微細化をする場合には技術的に限界が
ある。[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional Hall element described above utilizes the effect within the bulk, and when thinning the element in consideration of higher performance, it is also necessary to reduce the size and fineness of the element. There are technical limits when it comes to converting.
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、
高移動度、磁気感応部の極薄化が実現でき、さら
なる高感度が実現できるホール素子を提供するこ
とをその目的とする。 The present invention has been made in view of the above points,
The purpose of the present invention is to provide a Hall element that can achieve high mobility, an extremely thin magnetic sensing part, and even higher sensitivity.
［発明の概要］
そこで、高移動度のキヤリアを極めて薄い能動
層に閉じ込めた構造が必要となることに着目し、
従来のバルクを用いたのから一新し、本発明によ
るホール素子は２次元キヤリアガス層を磁気感応
部として用いたことを特徴とする。[Summary of the invention] Therefore, we focused on the need for a structure in which a high-mobility carrier is confined in an extremely thin active layer.
In contrast to the conventional bulk structure, the Hall element according to the present invention is characterized by using a two-dimensional carrier gas layer as a magnetically sensitive part.
ここで、２次元キヤリアガス層は、ヘテロ接
合、MOS構造、シヨツトキーバリアによつて形
成することができる。 Here, the two-dimensional carrier gas layer can be formed by a heterojunction, a MOS structure, or a Schottky barrier.
特に、２次元電子ガス層は、例えば真性半導体
と該真性半導体よりもエネルギー禁止帯幅の大き
なＮ型半導体とのヘテロ接合によつて形成するこ
とができる。 In particular, the two-dimensional electron gas layer can be formed, for example, by a heterojunction between an intrinsic semiconductor and an N-type semiconductor having a larger energy gap than the intrinsic semiconductor.
上記真性半導体としてはシリコン、ゲルマニウ
ムの単結晶、アモルフアス、又は多結晶を用い、
対応する上記Ｎ型半導体としては電子供与不純物
をドープしたシリコン、ゲルマニウムの単結晶、
アモルフアス、又は多結晶を用いることができ
る。また、上記真性半導体／Ｎ型半導体として、
化合物半導体材料例えばInP／InxGa1−xAs、
GaAs／AlxGa1−xAsを用いることができる。な
お、上記ヘテロ接合は、ヘテロエピタシー、分子
線エピタシーの技術を用いて形成できる。 As the above-mentioned intrinsic semiconductor, silicon, germanium single crystal, amorphous, or polycrystal is used,
The corresponding N-type semiconductors include single crystals of silicon and germanium doped with electron-donating impurities;
Amorphous or polycrystalline materials can be used. In addition, as the above-mentioned intrinsic semiconductor/N-type semiconductor,
Compound semiconductor materials such as InP/InxGa 1 −xAs,
GaAs/AlxGa 1 -xAs can be used. Note that the above-mentioned heterojunction can be formed using a technique of heteroepitasy or molecular beam epitaxy.
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第１図には、本発明一実施例としてヘテロ接合
による２次元電子ガス層を磁気感応部として利用
したホール素子の斜視図を示し、第２図に本実施
例のエネルギーバンド図を示す。 FIG. 1 shows a perspective view of a Hall element using a two-dimensional electron gas layer formed by a heterojunction as a magnetic sensing part as an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an energy band diagram of this embodiment.
第１図において、ノンドープの単結晶シリコン
基板１（以下、Si基板１とする）上には、ヘテロ
エピタキシヤル成長によつてｎ型多結晶シリコン
層２（以下、ｎ−ポリシコン層２とする）が形成
される。ただし、ｎ−ポリシリコン層２は、その
エネルギー禁止帯幅がSi基板１のそれより大きく
なる条件下で成長させられる。ここに、該成長
は、常圧CVD装置を用い、基板温度7000℃、成
長速度300Å／ｍinで行つた。また、反応ガスと
しては、CO2とSiH4の混合ガス（CO2／SiH4＝
0.2）を用い、ドーパントガスとしてはPH3を用
いた。また、成長後、レーザービーム等によつて
再結晶化を行なう。そして、入力電極３および
３′をSi基板１とｎ−ポリシリコン層２との境界
面を挾んで該境界面上の任意の一方向の延長上の
対向した位置に設け、さらに同じようにして境界
面を挾み、入力電極３および３′とは直交する位
置関係となるように出力電極４および４′を設け
る。 In FIG. 1, an n-type polycrystalline silicon layer 2 (hereinafter referred to as n-polysilicon layer 2) is formed on a non-doped single crystal silicon substrate 1 (hereinafter referred to as Si substrate 1) by heteroepitaxial growth. is formed. However, the n-polysilicon layer 2 is grown under conditions such that its energy bandgap is larger than that of the Si substrate 1. Here, the growth was performed using an atmospheric pressure CVD apparatus at a substrate temperature of 7000° C. and a growth rate of 300 Å/min. In addition, as a reaction gas, a mixed gas of CO 2 and SiH 4 (CO 2 /SiH 4 =
0.2), and PH 3 was used as the dopant gas. Further, after the growth, recrystallization is performed using a laser beam or the like. Then, input electrodes 3 and 3' are provided at opposite positions on the boundary surface between the Si substrate 1 and the n-polysilicon layer 2, extending in any one direction, and further in the same manner. Output electrodes 4 and 4' are provided so as to sandwich the boundary surface and to be perpendicular to the input electrodes 3 and 3'.
このように構成することで、エネルギー禁止帯
幅がSi基板１より大きいｎ−ポリシリコン層２か
ら出た電子は、電子親和力の大きいSi基板１側へ
移動する。この移動によつて、第２図に示される
ようにエネルギーバンドが曲がり、Si基板１とｎ
−ポリシリコン層２のヘテロ接合界面５において
逆三角形状のエネルギーポテンシヤル井戸が形成
される。この井戸では、Si基板１およびｎ−ポリ
シリコン層２の各伝導帯レベルEcの段差とSi基
板１の伝導帯レベルEcの曲がりによつて形成さ
れる。 With this configuration, electrons emitted from the n-polysilicon layer 2 whose energy bandgap width is larger than that of the Si substrate 1 move toward the Si substrate 1 side where the electron affinity is larger. Due to this movement, the energy band bends as shown in FIG. 2, and the Si substrate 1 and n
- An inverted triangular energy potential well is formed at the heterojunction interface 5 of the polysilicon layer 2. This well is formed by a step difference in the conduction band level Ec of the Si substrate 1 and the n-polysilicon layer 2 and a bend in the conduction band level Ec of the Si substrate 1.
このポテンシヤル井戸の下部がフエルミレベル
Efを横断するレベルにあれば、量子効果によつ
て井戸の中に形成されたミニバンドに電子が溜
り、２次元電子ガス層６が形成される。 The bottom of this potential well is the Fermi level.
If the level crosses Ef, electrons accumulate in the mini-band formed in the well due to quantum effects, and a two-dimensional electron gas layer 6 is formed.
２次元電子ガス層６の電子は高い移動度を有し
ている。なぜならば、上述したように、２次元電
子ガス層６は電子供与不純物原子によつて形成さ
れたものではないために、イオン化不純物による
電子の散乱効果が皆無となり、主として格子振動
による散乱のみとなるからである。 Electrons in the two-dimensional electron gas layer 6 have high mobility. This is because, as mentioned above, the two-dimensional electron gas layer 6 is not formed by electron-donating impurity atoms, so there is no electron scattering effect due to ionized impurities, and the only scattering is mainly due to lattice vibration. It is from.
このような２次元電子ガス層６を有した本実施
例において、入力電極３および３′に電圧を印加
し、２次元電子ガス層６を通して電流を流す。そ
こへ素子の表面に垂直に磁界Ｂが印加されると、
ホール効果によつて出力電極４および４′に磁界
Ｂの強さに対応したホール電圧Vhが現われる。 In this embodiment having such a two-dimensional electron gas layer 6, a voltage is applied to the input electrodes 3 and 3', and a current is caused to flow through the two-dimensional electron gas layer 6. When a magnetic field B is applied perpendicular to the surface of the element,
Due to the Hall effect, a Hall voltage Vh corresponding to the strength of the magnetic field B appears at the output electrodes 4 and 4'.
上述したように、本実施例では２次元電子ガス
層６を磁気感応部としているために、ホール効果
に関係する層の厚さが薄く、かつ電子は高い移動
度を有している。そのために、ホール電圧Vhが
高くなり、高感度のホール素子を得ることができ
る。 As described above, in this embodiment, since the two-dimensional electron gas layer 6 is used as a magnetically sensitive part, the thickness of the layer related to the Hall effect is thin, and the electrons have high mobility. Therefore, the Hall voltage Vh becomes high, and a highly sensitive Hall element can be obtained.
さらに本実施例では単元素半導体を用いている
ため、ガリウムヒ素のような化合物半導体とは異
なり、有害物質を考慮した製造工程を必要とせ
ず、低価格のホール素子を得ることができる。 Furthermore, since a single-element semiconductor is used in this embodiment, unlike compound semiconductors such as gallium arsenide, a manufacturing process that takes harmful substances into consideration is not required, and a low-cost Hall element can be obtained.
以下実験結果を示す。 The experimental results are shown below.
第３図は電子移動度の温度依存性を示したグラ
フである。同グラフにおいて、曲線１０１は本実
施例における２次元電子ガス層６の電子の場合、
曲線１０２は不純物濃度Nd＝1018［cm-3］の単結
晶シリコン中の電子の場合、曲線１０３は不純物
濃度Nd＝1018［cm-3］の単結晶GaAs中の電子の
場合を各々示している。 FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of electron mobility. In the same graph, a curve 101 is for electrons in the two-dimensional electron gas layer 6 in this example.
Curve 102 shows the case of electrons in single crystal silicon with impurity concentration Nd=10 18 [cm -3 ], and curve 103 shows the case of electrons in single crystal GaAs with impurity concentration Nd=10 18 [cm -3 ]. ing.
このグラフから明らかなように、本実施例にお
ける２次元電子は低温域で極めて高い移動度を示
している。この現象は、２次元電子の散乱因が実
質的に格子振動のみであることから説明される。 As is clear from this graph, the two-dimensional electrons in this example exhibit extremely high mobility in the low temperature range. This phenomenon is explained because the two-dimensional electron scattering factor is substantially only lattice vibration.
また、本実施例の２次元電子は、単結晶シリコ
ン中の電子（曲線１０２）より常に大きい移動度
を有している。 Furthermore, the two-dimensional electrons of this example always have a higher mobility than the electrons in single crystal silicon (curve 102).
第４図および第５図は、各々温度240［Ｋ］の
時、および300［Ｋ］の時のホール電圧Vhの磁気
特性を示すグラフである。曲線１０４は本実施例
の場合、曲線１０５は単結晶Siを基板としたホー
ル素子の場合、曲線１０６は単結晶GaAsを基板
としたホール素子の場合を各々示している。 4 and 5 are graphs showing the magnetic characteristics of the Hall voltage Vh at a temperature of 240 [K] and 300 [K], respectively. Curve 104 shows the case of this example, curve 105 shows the case of the Hall element with a single crystal Si substrate, and curve 106 shows the case of the Hall element with the single crystal GaAs substrate.
第４図および第５図からわかるように、本実施
例は単結晶Siのホール素子に比べて高い感度を有
しており、特に低温域では単結晶GaAsのホール
素子に近い高感度が得られる。 As can be seen from Figures 4 and 5, this example has higher sensitivity than a single-crystal Si Hall element, and especially in the low temperature range, high sensitivity close to that of a single-crystal GaAs Hall element can be obtained. .
なお、本実施例では単結晶シリコンと多結晶シ
リコンとを用いて２次元電子ガス層を形成した
が、ゲルマニウムを用いても良く、又組合せとし
ては単結晶と非晶質、非晶質と非晶質、多結晶と
多結晶、非結質と多結質、多結晶と非晶質、単結
晶と単結晶のいずれにおいても、本発明の効果は
可能である。 In this example, the two-dimensional electron gas layer was formed using single crystal silicon and polycrystalline silicon, but germanium may also be used, and the combinations include single crystal and amorphous, amorphous and non-crystalline. The effects of the present invention are possible in any of crystalline, polycrystalline and polycrystalline, amorphous and polycrystalline, polycrystalline and amorphous, and single crystal and single crystal.
また、公知のように化合物半導体材料を用いて
のヘテロ接合によつても２次元電子ガス層を形成
することができ、この２次元電子ガス層を磁気感
応部とするものであつてもよい。例えばInP／
InxGa1−xAs、GaAs／AlxGa1−xAsのヘテロ
接合によつて２次元電子ガス層を形成できる。 Furthermore, as is known, a two-dimensional electron gas layer can also be formed by a heterojunction using a compound semiconductor material, and this two-dimensional electron gas layer may be used as a magnetically sensitive portion. For example, InP/
A two-dimensional electron gas layer can be formed by a heterojunction of InxGa 1 -xAs and GaAs/AlxGa 1 -xAs.
さらに２次元電子ガス層は、上述したヘテロ接
合の他にMOS構造、またはシヨツトキーバリア
によつても形成することができる。 Further, the two-dimensional electron gas layer can be formed by a MOS structure or a Schottky barrier in addition to the above-mentioned heterojunction.
以上要するに、本発明によるホール素子は２次
元キヤリアガス層を磁気感応層として用いたこと
を特徴とする。
In summary, the Hall element according to the present invention is characterized by using a two-dimensional carrier gas layer as a magnetically sensitive layer.
本発明によるホール素子は、新規な原理に基づ
くものであり、２次元キヤリアガス層を磁気感応
部として用いるために、ホール効果に関係する層
の厚さは極薄化でき、キヤリアの散乱を防止で
き、したがつて高移動度を達成できるので高感度
を得ることができる。 The Hall element according to the present invention is based on a new principle, and because it uses a two-dimensional carrier gas layer as a magnetically sensitive part, the thickness of the layer related to the Hall effect can be made extremely thin, and carrier scattering can be prevented. , therefore high mobility can be achieved and high sensitivity can be obtained.
第１図は本発明によるホール素子の一実施例の
斜視図、第２図は本実施例のエネルギーバンド
図、第３図は電子移動度の温度特性を示したグラ
フ、第４図は温度240［Ｋ］の時のホール電圧の磁
気特性を示すグラフ、第５図は温度300［Ｋ］の時
のホール電圧の磁気特性を示すグラフである。
１……Si基板、２……ｎ−ポリシリコン層、
３，３′……入力電極、４，４′……出力電極、５
……界面、６……２次元電子ガス層。
Fig. 1 is a perspective view of an embodiment of the Hall element according to the present invention, Fig. 2 is an energy band diagram of this embodiment, Fig. 3 is a graph showing the temperature characteristics of electron mobility, and Fig. 4 is a graph showing temperature characteristics at 240°C. FIG. 5 is a graph showing the magnetic characteristics of the Hall voltage when the temperature is 300 [K]. 1...Si substrate, 2...n-polysilicon layer,
3, 3'... Input electrode, 4, 4'... Output electrode, 5
...interface, 6...two-dimensional electron gas layer.
Claims (1)
とを特徴とするホール素子。 ２ 前記２次元キヤリアガス層は、２次元電子ガ
ス層であり、該２次元電子ガス層は、真性半導体
と、該真性半導体よりもエネルギー禁止帯幅の大
きなＮ型半導体とのヘテロ接合により形成された
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のホール素子。 ３ 前記真性半導体は、シリコン、又はゲルマニ
ウムの単結晶、アモルフアス、又は多結晶体であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
ホール素子。 ４ 前記Ｎ型半導体は、電子供与体不純物をドー
プしたシリコン又はゲルマニウムの単結晶、アモ
ルフアス、又は多結晶体であることを特徴とする
特許請求の範囲第２項記載のホール素子。 ５ 前記真性半導体は単結晶シリコンであり、前
記Ｎ型半導体は多結晶シリコンであることを特徴
とする特許請求の範囲第２項記載のホール素子。 ６ 前記真性半導体は、単結晶ガリウムヒ素であ
り、前記Ｎ型半導体は、電子供与体をドープした
アルミニウムガリウムヒ素（AlxGa1−xAs）化
合物半導体であることを特徴とする特許請求の範
囲第２項記載のホール素子。 ７ 前記真性半導体は、インジユウムリン
（InP）であり、前記Ｎ型半導体はインジユウム
ガリウムヒ素（InxGa1−xAs）化合物半導体で
あることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
のホール素子。 ８ 前記２次元キヤリアガス層は、ヘテロ接合、
MOS、又はシヨトキーバリアにより形成された
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のホ
ール素子。[Claims] 1. A Hall element characterized in that a two-dimensional carrier gas layer is used as a magnetically sensitive part. 2. The two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional electron gas layer, and the two-dimensional electron gas layer is formed by a heterojunction between an intrinsic semiconductor and an N-type semiconductor having a larger energy gap than the intrinsic semiconductor. The first claim characterized in that
Hall element described in section. 3. The Hall element according to claim 2, wherein the intrinsic semiconductor is a single crystal, an amorphous, or a polycrystal of silicon or germanium. 4. The Hall element according to claim 2, wherein the N-type semiconductor is a single crystal, amorphous, or polycrystal of silicon or germanium doped with an electron donor impurity. 5. The Hall element according to claim 2, wherein the intrinsic semiconductor is single crystal silicon, and the N-type semiconductor is polycrystalline silicon. 6. Claim 2, wherein the intrinsic semiconductor is single-crystal gallium arsenide, and the N-type semiconductor is an electron donor-doped aluminum gallium arsenide (AlxGa 1 -xAs) compound semiconductor. Hall element described. 7. The Hall element according to claim 2, wherein the intrinsic semiconductor is indium phosphorous (InP), and the N-type semiconductor is an indium gallium arsenide (InxGa 1 -xAs) compound semiconductor. . 8 The two-dimensional carrier gas layer is a heterojunction,
The Hall element according to claim 1, characterized in that it is formed of a MOS or a Schottky barrier.
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-
1984
- 1984-03-23 JP JP59056519A patent/JPS60198877A/en active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57177583A (en) * | 1981-04-14 | 1982-11-01 | Int Standard Electric Corp | Holl effect device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60198877A (en) | 1985-10-08 |
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