JPH06204584A - GaAs/AlGaAs超格子を用いた磁気抵抗効果素子及び磁界強度測定方法 - Google Patents
GaAs/AlGaAs超格子を用いた磁気抵抗効果素子及び磁界強度測定方法Info
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Abstract
度依存性のない高感度で小型の磁気抵抗効果素子を提供
する。 【構成】 ドープされていないGaAs及びシリコンを
ドープされたAl0 . 3Ga0 . 7 Asの層からなる超
格子13を、1テスラを超磁界の測定のために磁気抵抗
効果素子として使用する。測定する磁界は超格子に垂直
に通過させ、一定の電流を超格子に垂直に流し、これに
より超格子の両端の電圧降下を測定して磁界の強さを示
すようにする。
Description
めの、磁気抵抗効果に存在する磁気抵抗効果素子及びそ
の素子を用いた磁界の測定法に関する。
得られる1テスラを越える強磁界が注目を集めている。
これにともない、このような強い磁界を簡単に測定する
ための検出器の開発が重要となった。この検出器は以下
のような条件を備えていなければならない。即ち、容易
に使用でき、相対的に低価格であり、小型であり、かつ
広い範囲で温度依存性のない高感度なものでなければな
らない。このうち大きさについては、特定の磁気構造に
関連する磁界の分布を正確にプロットでき、かつ磁束に
対する高い分解能を有するプローブとして使用可能な大
きさでなければならない。これらの条件のうち、個々の
条件を満たす検出器は存在するものの、全てを満たすも
のは未だ存在していない。
造を有する高感度スプリットコンタクトの磁気抵抗効果
素子」(アイトリプルイー・トランザクションズ・オン
・エレクトロン・デバイス(IEEE Transac
tions on Electron Device)
Vol.36,No.9 1639−1643,198
9において、変調ドープされたAlAs/GaAsの超
格子が説明されている。それによると、AlAs/Ga
Asは半絶縁性のGaAs基板上で成長される。この基
板には一方の表面に第1の電極が、他方の表面にはスプ
リット電極が設けられており、本質的には一対の平行な
電極が形成されている。この素子は、超格子の交互に設
けられた層に平行に磁力線が走るよう配置される。これ
により、ホール効果によって二つの電極の間に流れる電
流に差が生じ、磁界の強度はこの差に依存する。この検
出器は、約1テスラの強度までの磁界の測定に有効とさ
れている。
造では、感度は超格子の厚さとともに増加し、超格子の
断面積とともに減少し、また二つのスプリットコンタク
トの距離とともに減少し、さらにスプリットコンタクト
が必要であるために、測定磁界に対し優れた分解能を持
つ小断面積の超格子を得ることが難しくなる傾向がある
ため、実用化が困難であった。また、電流差を検出する
ためには、回路が複雑になってしまうという問題も存在
した。
優れた検出器を提供することである。
ドープされていないGaAsの層とシリコンをドープし
たAlGaAsの層を交互に積層したGaAs/AlG
aAs超格子が、特に1テスラ以上の磁界において、高
感度の磁気抵抗効果素子としての役割を果たすことを見
出した。この感度は近似的に磁界の強度の2乗にしたが
って増加するので、2テスラを越える磁界において特に
感度が高い。その上感度は、0.1ケルビンから室温ま
での広い温度範囲にわたって比較的温度に依存しない。
またこのデバイスは、磁界を乱す傾向のある磁気材料を
使用していないので測定磁界に対してほとんど影響を与
えない、プローブとしての使用に適する小さな能動素子
を使用することができる。
される超格子を含んだヘテロ接合構造の断面を示す。基
板部分11は通常は結晶方位が[100]のドープされ
ていないGaAs結晶で、取扱いが容易な大きさにして
いる。この基板11の上部表現の上には、エピタキシャ
ル成長させた高濃度ドープのGaAsのn型層12が1
ミクロンの厚さで形成されており、これは超格子の一方
のコンタクト層としての役割を果たす。
重ね13からなる超格子の層が積層されており、これ
は、意図的にはドープされていないGaAsの層とシリ
コンをドープしたAl0 . 3 Ga0 . 7 Asの層とが交
互に積層されている。これらの層はそれぞれ少なくとも
20層とすることが望ましい。ドーパントの濃度は、5
×101 6 個cm- 3 から5×101 7 個cm- 3 の間
とするのが有利である。結晶中におけるドーパントのマ
イグレーションがほどんどないことからドーパントとし
てはシリコンを使うことが望ましく、このため超格子の
GaAsの層は本質的にドーパントのイオンがない状態
が維持され、導電性は主としてドープされたAlGaA
sの層の間をトンネリングする電荷に依存する。また他
のドーパントを使用することもできる。これにより、G
aAs層は量子井戸としての役割をはたし、AlGaA
s層は障壁としての役割を果たす。
の厚さはすべて等しい厚さとし、正確な数の格子周期を
達成する際に繰り返し予想される境界部の誤差が希望す
る周期性の大きな部分を占めることのないよう十分な厚
さとすべきである。通常は20オングストロームと80
オングストロームの間とし、両層の一組は約100オン
グストロームとすることが望ましいが、この一組の層の
厚さは50オングストロームから500オングストロー
ムまでの範囲であれば他の値でも可能である。ただし、
従来からの積層方法を使用すると、50個のセルにおい
て高いレベルの一様性を達成するには最小でも25オン
グストロームの厚さが必要とされる。AlGaAs層は
厚すぎてはいけない。厚すぎるとGaAsの層に形成さ
れる量子井戸に集まる電子の透過が困難となるからであ
る。通常100オングストローム以上になると電子の透
過が困難となる。
a=3:7とすることで、格子の不適合を回避しこれを
最小にするのに最適となるが、この最適値からいくぶん
変化しても許容できる。
のn型GaAs層14は超格子の上に成長させ、本発明
のデバイスのもう一方のコンタクト層としての役割を果
たす。
る。そのあとエッチングによって図1に示すようにメサ
(周囲より一段高くなった形状)を形成する。コンタク
ト層12は途中までエッチングする。メサ以外の部分の
コンタクト層12の上に電極15を設ける。このメサ形
の部分は任意の都合のよい断面とする事ができるが、通
常は横方向の寸法を100平方ミクロンもしくはそれ以
下とする。
5、16は高濃度にドープされたコンタクト層12、1
4にそれぞれ形成される。低抵抗のオーミックコンタク
トとするために、通常は金−スズ又はこれと等価な合金
を積層しこれに続いて金層を積層し、金ワイヤ17、1
8を金層に接続して接続リードとするのが望ましい。動
作させるためには電圧源(図示せず)を2つのリードの
間に接続し、この積層部分に対して垂直に電流を流す。
そして測定される電流は超格子の抵抗を示すとともに、
磁界の強さを示すものとなる。磁界がこれらの層の面に
垂直に加えられたとき、すなわちその積層部を通って流
れる電流の方向と平行に加えられたときは、磁気抵抗効
果は正であり、非常に大きく、磁界の強度の2乗に従っ
て増加し、また0.1Kから少なくとも室温までの範囲
で温度に依存しない。
コンタクトの抵抗が、測定される電流と直列の経路とな
っている点があまり望ましくない。リード及びコンタク
トの抵抗の影響を最小限にするには四端子の電気的測定
を用いるとよい。
この現象は今のところ完全には理論的説明をつけること
ができない。ただし電流−電圧カーブは、磁界に依存す
る散乱レート(スキャッタリングレート)の存在を暗示
する。特に、ドープされていないGaAs層が性質の良
い量子井戸として作用し、AlGaAs層がGaAs層
との良く適合したり境界面を形成する障壁として作用す
ることが重要であることが分かる。
造の変形例であり、どのようにして磁界Hを測定するの
に使用するかを示したもので、四点測定に適するように
したものである。この例では、二つの離れた電極15
A、15Bがドープされた層12に設けられ、また別の
2つの離れた電極16A、16Bがドープされた層14
に設けられている。電極15A、15Bにはリード17
A及び17Bがそれぞれ設けられ、電極16A、16B
にはリード18A、18Bがそれぞれ設けられている。
磁界Hは超格子の成長軸に平行にこのヘテロ構造を通過
するように、そして超格子の面に垂直となるように配置
される。定電流源21をリード17Aとリード18Aと
の間に接続し、電圧計22をリード17Bと18Bの間
に接続する。この電流源は、測定される電圧が確実に
0.5ボルト以下の範囲におさまるよう調整する。この
ような装置において、実際の磁界の強度は、まず最初に
既知の強さの磁界と関連する電圧を導くことによって得
られる。電流源は直流電流又は低周波電流のうち都合の
良いものとする。
原理の単なる例示であり、本発明の思想及び範囲から逸
脱することのない種々の変形が可能である。更に、ここ
で説明したヘテロ構造は通常パッケージ内に納められ
る。この事例では、ヘテロ構造は磁気検出器として使用
されるので、パッケージはヘテロ構造を垂直に通過する
磁界からのヘテロ構造の磁気遮蔽が最小となるよう設計
すべきである。
As超格子を用いることによって広範囲にわたって温度
依存性がなく、特に強磁界において高感度な、測定磁界
に対してほとんど影響を与えないプローブとして使用で
きる磁気抵抗効果素子を得ることが可能となった。更
に、これを用いて磁界強度の正確な測定も可能となっ
た。
示す図である。
検出器を適当な回路に接続したものを示した図である。
格子 15、15A、15B、16、16A、16B コンタ
クト 17、17A、17B、18、18A、18B 金ワイ
ヤ 21 定電流源 22 電圧計
Claims (3)
- 【請求項1】 ドーパントを意図的には含まないGaA
sと、ドーパントを含むAlGaAsとを交互に積層し
た超格子と、超格子を垂直に通過する磁気が加わった場
合の超格子の磁気抵抗による抵抗変化を測定するための
手段と、該測定より超格子を垂直に通過する磁界の強度
を測定する手段とを備えた、高い磁界の強度を測定する
ための磁気抵抗効果素子。 - 【請求項2】 超格子を通過する電流を流す手段が定電
流源であって、磁界の強度を測る手段は、前記定電流源
によって与えられる電流に反応する超格子の両端の電圧
降下を測定するための手段である請求項1記載の磁気抵
抗効果素子。 - 【請求項3】 測定すべき磁界を、意図的にはドープさ
れていないGaAsとドープしたAlGaAsを交互に
積層した超格子の成長軸に平行に通過させるステップ
と、同時に一定の電流を超格子に垂直に、そして磁界に
平行に流すステップと、一定の電流から得られる超格子
の両端の電圧降下の測定から磁界の強度を測定するステ
ップとからなる、請求項1記載の磁気抵抗効果素子を用
いた磁界強度測定方法。
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