JPH08116107A - 磁気検出半導体装置及び半導体集積回路装置 - Google Patents
磁気検出半導体装置及び半導体集積回路装置Info
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- JPH08116107A JPH08116107A JP6252602A JP25260294A JPH08116107A JP H08116107 A JPH08116107 A JP H08116107A JP 6252602 A JP6252602 A JP 6252602A JP 25260294 A JP25260294 A JP 25260294A JP H08116107 A JPH08116107 A JP H08116107A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 磁気検出半導体装置及び半導体集積回路装置
に関し、小型で感度の高い磁気抵抗素子を半導体で形成
すると共に、磁気抵抗素子と周辺回路と一体化してモノ
リシックに形成してシステム全体を小型化する。 【構成】 電子親和力と禁制帯幅の和、或いは、電子親
和力が互いに異なる半導体１，２及び４によるヘテロ接
合を形成してその界面近傍に２次元キャリア層を形成す
ると共に、この２次元キャリア層中に磁性不純物５をド
ープする。
に関し、小型で感度の高い磁気抵抗素子を半導体で形成
すると共に、磁気抵抗素子と周辺回路と一体化してモノ
リシックに形成してシステム全体を小型化する。 【構成】 電子親和力と禁制帯幅の和、或いは、電子親
和力が互いに異なる半導体１，２及び４によるヘテロ接
合を形成してその界面近傍に２次元キャリア層を形成す
ると共に、この２次元キャリア層中に磁性不純物５をド
ープする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気検出半導体装置及び
半導体集積回路装置に関するものであり、特に、半導体
超格子構造に基づく２次元キャリアと磁性不純物との相
互作用を利用した磁気検出半導体装置及び信号処理のた
めの周辺回路をモノリシックに一体化した半導体集積回
路装置に関するものである。
半導体集積回路装置に関するものであり、特に、半導体
超格子構造に基づく２次元キャリアと磁性不純物との相
互作用を利用した磁気検出半導体装置及び信号処理のた
めの周辺回路をモノリシックに一体化した半導体集積回
路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁気記録装置分野においても高密
度化が進められており、このために磁気検出素子の微細
化や高感度化が要求されている。この磁気検出のため
に、従来から磁気抵抗（ＭＲ）効果が利用されており、
半導体薄膜や強磁性体薄膜を利用したものが知られてい
る。
度化が進められており、このために磁気検出素子の微細
化や高感度化が要求されている。この磁気検出のため
に、従来から磁気抵抗（ＭＲ）効果が利用されており、
半導体薄膜や強磁性体薄膜を利用したものが知られてい
る。
【０００３】キャリアの移動度の大きなＧａＡｓやＩｎ
Ａｓ等のIII-Ｖ族化合物半導体を用いた薄膜半導体磁気
抵抗素子においては、高精度の磁気記録装置に使用しえ
る程度の磁場に対する抵抗率の変化率、即ち、感度は得
られていない。
Ａｓ等のIII-Ｖ族化合物半導体を用いた薄膜半導体磁気
抵抗素子においては、高精度の磁気記録装置に使用しえ
る程度の磁場に対する抵抗率の変化率、即ち、感度は得
られていない。
【０００４】また、ＩｎＡｓ中に磁性元素であるＭｎを
微量添加した場合において、即ち、Ｉｎ1-x Ｍｎx Ａｓ
（０．００１≦ｘ≦０．０３）薄膜において顕著な磁気
抵抗効果が生ずることも知られている（Ｈ．Ｍｕｎｅｋ
ａｔａ ｅｔ ａｌ．：Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ
１１１，ｐ．１０１１〜１０１５，１９９１）が、実
用に供するには感度が充分でなかった。
微量添加した場合において、即ち、Ｉｎ1-x Ｍｎx Ａｓ
（０．００１≦ｘ≦０．０３）薄膜において顕著な磁気
抵抗効果が生ずることも知られている（Ｈ．Ｍｕｎｅｋ
ａｔａ ｅｔ ａｌ．：Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ
１１１，ｐ．１０１１〜１０１５，１９９１）が、実
用に供するには感度が充分でなかった。
【０００５】一方、強磁性体薄膜を利用した磁気抵抗素
子も古くから知られており、図６はこの様な強磁性体薄
膜の磁気抵抗効果の原理の説明図である。 図６参照 強磁性体薄膜１６に電圧印加源１７より電圧Ｖを印加し
て電流Ｉを流す場合、電流Ｉは強磁性体薄膜１６の有す
る磁化Ｍの方向と電流方向のなす角θに依存するもので
あり、磁化Ｍの容易方向を薄膜の長手方向とした場合
に、この長手方向に垂直方向に磁場Ｈを印加すると、図
６（ａ）に示すように磁場Ｈが小さい場合にはθ2 〜
０、即ち、電流と磁化方向が平行になり、図６（ｂ）に
示すように磁場Ｈが大きい場合にはθ1 〜９０°、即
ち、電流と磁化方向が垂直になる。そして、電流と磁化
方向が平行な場合には、電流と磁化方向が垂直な場合に
比べて電気抵抗が若干大きくなる。例えば、ＮｉＣｏ合
金においては、室温での変化率が約６％である。
子も古くから知られており、図６はこの様な強磁性体薄
膜の磁気抵抗効果の原理の説明図である。 図６参照 強磁性体薄膜１６に電圧印加源１７より電圧Ｖを印加し
て電流Ｉを流す場合、電流Ｉは強磁性体薄膜１６の有す
る磁化Ｍの方向と電流方向のなす角θに依存するもので
あり、磁化Ｍの容易方向を薄膜の長手方向とした場合
に、この長手方向に垂直方向に磁場Ｈを印加すると、図
６（ａ）に示すように磁場Ｈが小さい場合にはθ2 〜
０、即ち、電流と磁化方向が平行になり、図６（ｂ）に
示すように磁場Ｈが大きい場合にはθ1 〜９０°、即
ち、電流と磁化方向が垂直になる。そして、電流と磁化
方向が平行な場合には、電流と磁化方向が垂直な場合に
比べて電気抵抗が若干大きくなる。例えば、ＮｉＣｏ合
金においては、室温での変化率が約６％である。
【０００６】しかし、この程度の変化率では実用に供す
ることが困難であり、この様な問題を解決するものとし
て、金属人工格子を用いた磁気検出素子が提案されてい
る。（Ｍ．Ｎ．Ｂａｉｂｉｃｈ ｅｔ ａｌ．：Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，ｐ．２４７２，１９８
８）
ることが困難であり、この様な問題を解決するものとし
て、金属人工格子を用いた磁気検出素子が提案されてい
る。（Ｍ．Ｎ．Ｂａｉｂｉｃｈ ｅｔ ａｌ．：Ｐｈｙ
ｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，ｐ．２４７２，１９８
８）
【０００７】図７は、この提案されている金属人工格子
を用いた磁気検出素子の説明図である。 図７参照 この金属人工格子２０は、３０Åの磁性金属であるＦｅ
薄膜１８と９Åの非磁性金属であるＣｒ薄膜１９とを交
互に６０層積層させたもので、Ｃｒ薄膜１９を隔ててと
なり合うＦｅ薄膜１８の磁化方向（図の矢印方向）が反
平行に結合している。
を用いた磁気検出素子の説明図である。 図７参照 この金属人工格子２０は、３０Åの磁性金属であるＦｅ
薄膜１８と９Åの非磁性金属であるＣｒ薄膜１９とを交
互に６０層積層させたもので、Ｃｒ薄膜１９を隔ててと
なり合うＦｅ薄膜１８の磁化方向（図の矢印方向）が反
平行に結合している。
【０００８】この金属人工格子２０に２ＴＧ（テラガウ
ス）の磁場を印加した場合に、室温で約１６％の変化
（抵抗の低下）が得られ、このような効果は巨大磁気抵
抗（ＭＲ）効果と称されている。また、８．０Åの磁性
金属であるＣｏと８．３Åの非磁性金属であるＣｕとを
交互に６０層積層させた金属人工格子においてはさらに
優れた特性が得られている。なお、巨大磁気抵抗（Ｍ
Ｒ）効果においては、電流方向に対する磁場方向の影響
はほとんどないので、通常のＭＲ効果とは異なるものと
考えられている。
ス）の磁場を印加した場合に、室温で約１６％の変化
（抵抗の低下）が得られ、このような効果は巨大磁気抵
抗（ＭＲ）効果と称されている。また、８．０Åの磁性
金属であるＣｏと８．３Åの非磁性金属であるＣｕとを
交互に６０層積層させた金属人工格子においてはさらに
優れた特性が得られている。なお、巨大磁気抵抗（Ｍ
Ｒ）効果においては、電流方向に対する磁場方向の影響
はほとんどないので、通常のＭＲ効果とは異なるものと
考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属人
工格子を用いた磁気検出素子の場合には、得られる感度
は十分であるものの、既に量産技術の域に達している半
導体超格子に比べるとその成長が技術的に困難であり、
また、金属人工格子の場合には、磁気検出素子からの信
号を処理するために必要な周辺回路を完全に別体の外部
回路として構成する必要がある。
工格子を用いた磁気検出素子の場合には、得られる感度
は十分であるものの、既に量産技術の域に達している半
導体超格子に比べるとその成長が技術的に困難であり、
また、金属人工格子の場合には、磁気検出素子からの信
号を処理するために必要な周辺回路を完全に別体の外部
回路として構成する必要がある。
【００１０】したがって、本願発明は、小型で感度の高
い磁気抵抗素子を半導体で構成することを目的とし、ま
た、磁気抵抗素子と周辺回路とをモノリシックに一体化
して形成することによりシステム全体を小型化すること
を目的とする。
い磁気抵抗素子を半導体で構成することを目的とし、ま
た、磁気抵抗素子と周辺回路とをモノリシックに一体化
して形成することによりシステム全体を小型化すること
を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】図１は、本発明の原理的
構成を説明するためにエネルギ・バンド・ダイヤグラム
の価電子帯側のみを表したものである。 図１参照 本発明の磁気検出半導体装置は、導電型決定不純物３を
含んだ半導体層１及び２と磁性不純物５以外には導電型
決定不純物を含まない半導体層４とによりヘテロ接合を
形成し、且つ、ヘテロ接合界面の磁性不純物５以外には
導電型決定不純物を含まない半導体層４側に２次元キャ
リア層ができるように半導体層１及び２と半導体層４の
電子親和力と禁制帯幅とを選択し、この２次元キャリア
層中に磁性不純物５をドープしたことを特徴とするもの
である。
構成を説明するためにエネルギ・バンド・ダイヤグラム
の価電子帯側のみを表したものである。 図１参照 本発明の磁気検出半導体装置は、導電型決定不純物３を
含んだ半導体層１及び２と磁性不純物５以外には導電型
決定不純物を含まない半導体層４とによりヘテロ接合を
形成し、且つ、ヘテロ接合界面の磁性不純物５以外には
導電型決定不純物を含まない半導体層４側に２次元キャ
リア層ができるように半導体層１及び２と半導体層４の
電子親和力と禁制帯幅とを選択し、この２次元キャリア
層中に磁性不純物５をドープしたことを特徴とするもの
である。
【００１２】また、本発明は、ヘテロ接合を形成する半
導体として、互いに、電子親和力と禁制帯幅の和が異な
る半導体を用い、且つ、２次元キャリア層の形成されな
い方の半導体をｐ型にしたことを特徴とする。また、本
発明は、上記ヘテロ接合をＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとに
より形成することを特徴とする。
導体として、互いに、電子親和力と禁制帯幅の和が異な
る半導体を用い、且つ、２次元キャリア層の形成されな
い方の半導体をｐ型にしたことを特徴とする。また、本
発明は、上記ヘテロ接合をＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとに
より形成することを特徴とする。
【００１３】また、本発明は、磁気検出半導体装置と磁
気検出半導体装置からの信号処理を行う周辺回路とをモ
ノリシックに一体化して形成したことを特徴とする。
気検出半導体装置からの信号処理を行う周辺回路とをモ
ノリシックに一体化して形成したことを特徴とする。
【００１４】
【作用】図２は、この磁気検出半導体装置の磁気抵抗効
果の原理の説明図であり、図２により本願発明の作用を
説明する。 図２（ａ）参照 図２（ａ）に示すように、磁場が印加されない場合にお
いて、磁性不純物のスピンが上向（Ｕｐ）の不純物、即
ち、Ｕｐ不純物６と下向（Ｄｏｗｎ）の不純物、即ち、
Ｄｏｗｎ不純物７とがランダムに存在することになる。
一方、自由電子は元々、スピンが上向（Ｕｐ）の電子、
即ち、Ｕｐ電子８と下向（Ｄｏｗｎ）の電子、即ち、Ｄ
ｏｗｎ電子９とがランダムに均等に存在している。
果の原理の説明図であり、図２により本願発明の作用を
説明する。 図２（ａ）参照 図２（ａ）に示すように、磁場が印加されない場合にお
いて、磁性不純物のスピンが上向（Ｕｐ）の不純物、即
ち、Ｕｐ不純物６と下向（Ｄｏｗｎ）の不純物、即ち、
Ｄｏｗｎ不純物７とがランダムに存在することになる。
一方、自由電子は元々、スピンが上向（Ｕｐ）の電子、
即ち、Ｕｐ電子８と下向（Ｄｏｗｎ）の電子、即ち、Ｄ
ｏｗｎ電子９とがランダムに均等に存在している。
【００１５】この場合、磁性不純物による自由電子の散
乱は、互いのスピンが平行の場合と反平行の場合とで散
乱確率が異なり、平行の場合に散乱確率が小さく、した
がって、抵抗率も小さくなる。ここで、平行な場合の抵
抗率をρ0 ／２−Δρとし、反平行の場合のρ0 ／２＋
Δρとすると、Ｕｐ電子８はＵｐ不純物６とＤｏｗｎ不
純物７とに同じ確率で遭遇するので、Ｕｐ電子８による
抵抗率ρU はρU ＝（ρ0 ／２−Δρ）＋（ρ0 ／２＋
Δρ）となり、Ｄｏｗｎ電子９による抵抗率ρD もρU
と同じ理由により、ρD ＝（ρ0 ／２−Δρ）＋（ρ0
／２＋Δρ）となる。したがって、全抵抗率Ｒは、１／
Ｒ＝１／ρU ＋１／ρD であるので、結局、上記関係式
を代入することにより、Ｒ＝ρ0 ／２が得られる。
乱は、互いのスピンが平行の場合と反平行の場合とで散
乱確率が異なり、平行の場合に散乱確率が小さく、した
がって、抵抗率も小さくなる。ここで、平行な場合の抵
抗率をρ0 ／２−Δρとし、反平行の場合のρ0 ／２＋
Δρとすると、Ｕｐ電子８はＵｐ不純物６とＤｏｗｎ不
純物７とに同じ確率で遭遇するので、Ｕｐ電子８による
抵抗率ρU はρU ＝（ρ0 ／２−Δρ）＋（ρ0 ／２＋
Δρ）となり、Ｄｏｗｎ電子９による抵抗率ρD もρU
と同じ理由により、ρD ＝（ρ0 ／２−Δρ）＋（ρ0
／２＋Δρ）となる。したがって、全抵抗率Ｒは、１／
Ｒ＝１／ρU ＋１／ρD であるので、結局、上記関係式
を代入することにより、Ｒ＝ρ0 ／２が得られる。
【００１６】図２（ｂ）参照 一方、図２（ｂ）に示すように磁場が印加された場合に
は、磁性不純物のスピンは磁場に影響されて整列するこ
とになる。ここで、強い磁場が印加されて全ての不純物
のスピンが一方向（図においてはＵｐ方向）に揃ったと
仮定すると、Ｕｐ電子８は全て不純物のスピン方向と平
行になり、Ｄｏｗｎ電子９は全て反平行になるので、上
記の式に合わせると、ρU ＝（ρ0 ／２−Δρ）＋（ρ
0 ／２−Δρ）、及び、ρD ＝（ρ0 ／２＋Δρ）＋
（ρ0 ／２＋Δρ）となる。したがって、全抵抗率Ｒ
は、１／Ｒ＝１／ρU ＋１／ρD であるので、結局、上
記関係式を代入することにより、Ｒ＝ρ0 ／２−２（Δ
ρ）2 ／ρ0 となり、磁場が印加されていない場合に比
べて、２（Δρ）2 ／ρ0 だけ抵抗率が低下する効果が
得られる。
は、磁性不純物のスピンは磁場に影響されて整列するこ
とになる。ここで、強い磁場が印加されて全ての不純物
のスピンが一方向（図においてはＵｐ方向）に揃ったと
仮定すると、Ｕｐ電子８は全て不純物のスピン方向と平
行になり、Ｄｏｗｎ電子９は全て反平行になるので、上
記の式に合わせると、ρU ＝（ρ0 ／２−Δρ）＋（ρ
0 ／２−Δρ）、及び、ρD ＝（ρ0 ／２＋Δρ）＋
（ρ0 ／２＋Δρ）となる。したがって、全抵抗率Ｒ
は、１／Ｒ＝１／ρU ＋１／ρD であるので、結局、上
記関係式を代入することにより、Ｒ＝ρ0 ／２−２（Δ
ρ）2 ／ρ0 となり、磁場が印加されていない場合に比
べて、２（Δρ）2 ／ρ0 だけ抵抗率が低下する効果が
得られる。
【００１７】図２（ｃ）参照 図２（ｃ）は、抵抗率Ｒの磁場Ｈ依存性を示す図であ
り、磁場が増大するに連れて抵抗率が大きく低下する負
の磁気抵抗が生ずることになり、この低下の程度、即
ち、変化率は２（Δρ）2 ／ρ0 に依存するので、Δρ
が大きいほど、即ち、電子と不純物との磁気的相互作用
が大きいほど変化率も大きくなり、巨大磁気抵抗効果が
得られることになる。
り、磁場が増大するに連れて抵抗率が大きく低下する負
の磁気抵抗が生ずることになり、この低下の程度、即
ち、変化率は２（Δρ）2 ／ρ0 に依存するので、Δρ
が大きいほど、即ち、電子と不純物との磁気的相互作用
が大きいほど変化率も大きくなり、巨大磁気抵抗効果が
得られることになる。
【００１８】したがって、本願発明のようにヘテロ接合
を形成する半導体層の電子親和力と禁制帯幅の和、或い
は、電子親和力の差を利用してキャリア密度の高い２次
元キャリア層を形成し、その部分に磁性不純物をドープ
することにより、キャリアのスピンと電子のスピンとの
間の磁気的相互作用を効率的に行うことができ、巨大磁
気抵抗効果が得られる。
を形成する半導体層の電子親和力と禁制帯幅の和、或い
は、電子親和力の差を利用してキャリア密度の高い２次
元キャリア層を形成し、その部分に磁性不純物をドープ
することにより、キャリアのスピンと電子のスピンとの
間の磁気的相互作用を効率的に行うことができ、巨大磁
気抵抗効果が得られる。
【００１９】また、ヘテロ接合を構成する一方の半導体
層として、ｐ型半導体を用いることにより、磁性不純物
の形成する価電子帯寄りの深い準位と効率よく磁気的相
互作用を行うことができ、さらに、ヘテロ接合を構成す
る半導体としてＡｌＧａＡｓ層及びＧａＡｓ層を用いた
場合には、良好な界面を有するヘテロ接合を再現性良く
形成することができる。
層として、ｐ型半導体を用いることにより、磁性不純物
の形成する価電子帯寄りの深い準位と効率よく磁気的相
互作用を行うことができ、さらに、ヘテロ接合を構成す
る半導体としてＡｌＧａＡｓ層及びＧａＡｓ層を用いた
場合には、良好な界面を有するヘテロ接合を再現性良く
形成することができる。
【００２０】また、磁気検出半導体装置と磁気検出半導
体装置からの信号処理を行う周辺回路とをモノリシック
に一体化することによりシステム全体を小型化すること
ができると共に、無駄な寄生容量等を低減させて磁気検
出から信号処理までの処理速度をより高速化することが
できる。
体装置からの信号処理を行う周辺回路とをモノリシック
に一体化することによりシステム全体を小型化すること
ができると共に、無駄な寄生容量等を低減させて磁気検
出から信号処理までの処理速度をより高速化することが
できる。
【００２１】
【実施例】図３は本発明の第１の実施例の価電子帯側の
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。 図３参照 この磁気検出半導体装置は、アクセプタとなるＢｅ原子
１２をドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０及び１１の間
に磁性不純物であるＮｉ原子１４を１０18ｃｍ -3ドープ
した厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ層１３を挟んだダブルヘテ
ロ接合構造からなる。なお、この場合、ＧａＡｓ層１３
は、磁性不純物以外の導電型決定不純物は意図的には含
んでいないものである。
エネルギ・バンド・ダイヤグラムである。 図３参照 この磁気検出半導体装置は、アクセプタとなるＢｅ原子
１２をドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０及び１１の間
に磁性不純物であるＮｉ原子１４を１０18ｃｍ -3ドープ
した厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ層１３を挟んだダブルヘテ
ロ接合構造からなる。なお、この場合、ＧａＡｓ層１３
は、磁性不純物以外の導電型決定不純物は意図的には含
んでいないものである。
【００２２】この場合、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０，１１
と、ＡｌＧａＡｓ層よりも電子親和力と禁制帯幅の和の
小さなＧａＡｓ層１３との間に形成されるヘテロ接合に
おいて、両者の電子親和力と禁制帯幅の和の差に基づい
て、価電子帯にスパイクが形成され、界面のＧａＡｓ層
１３側に２次元ホール（正孔）層が形成される。
と、ＡｌＧａＡｓ層よりも電子親和力と禁制帯幅の和の
小さなＧａＡｓ層１３との間に形成されるヘテロ接合に
おいて、両者の電子親和力と禁制帯幅の和の差に基づい
て、価電子帯にスパイクが形成され、界面のＧａＡｓ層
１３側に２次元ホール（正孔）層が形成される。
【００２３】このＧａＡｓ層１３の２次元ホール層にド
ープされたＮｉ原子１４は、ＧａＡｓ層１３中において
価電子帯寄りの深い準位を形成するので、２次元ホール
層中の２次元キャリアガスであるホールはＮｉ原子１４
と効率的に磁気的相互作用を行うことになる。
ープされたＮｉ原子１４は、ＧａＡｓ層１３中において
価電子帯寄りの深い準位を形成するので、２次元ホール
層中の２次元キャリアガスであるホールはＮｉ原子１４
と効率的に磁気的相互作用を行うことになる。
【００２４】なお、この第１の実施例においては、Ｇａ
Ａｓ層１３の厚さが１０ｎｍ程度と量子井戸構造を形成
する程度に薄く、ＧａＡｓ層１３全体が２次元キャリア
層となるので、ＮｉをＧａＡｓ層１３に均一にドープし
ても良いものであり、また、不純物としてもＮｉ以外
に、Ｍｎ或いはＣｒ等の遷移金属からなる磁性不純物を
用いても良いものである。
Ａｓ層１３の厚さが１０ｎｍ程度と量子井戸構造を形成
する程度に薄く、ＧａＡｓ層１３全体が２次元キャリア
層となるので、ＮｉをＧａＡｓ層１３に均一にドープし
ても良いものであり、また、不純物としてもＮｉ以外
に、Ｍｎ或いはＣｒ等の遷移金属からなる磁性不純物を
用いても良いものである。
【００２５】次に、磁性不純物として希土類元素である
Ｅｒを用いた第２の実施例を説明する。 図４参照 この場合にも、基本的構成は、第１の実施例と同様に、
Ｂｅ１２をドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０及び１１
の間に厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ層１３を挟んだダブルヘ
テロ接合構造からなるものであり、相違は、磁性不純物
としてＮｉの代わりにＥｒを用いた点にある。このＥｒ
をＧａＡｓ層にドープする場合に、クラスタ状の固まり
としてドープされることが知られており（Ｋ．Ｅ．Ｓｉ
ｎｇｅｒ ｅｔ ａｌ．：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．６４，ｐ．７０７，１９９４）、本発明において
も、ＧａＡｓ層１３にＥｒを５×１０18ｃｍ-3ドープし
た場合、Ｅｒクラスタ１５が禁制帯中に準位を形成す
る。
Ｅｒを用いた第２の実施例を説明する。 図４参照 この場合にも、基本的構成は、第１の実施例と同様に、
Ｂｅ１２をドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０及び１１
の間に厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ層１３を挟んだダブルヘ
テロ接合構造からなるものであり、相違は、磁性不純物
としてＮｉの代わりにＥｒを用いた点にある。このＥｒ
をＧａＡｓ層にドープする場合に、クラスタ状の固まり
としてドープされることが知られており（Ｋ．Ｅ．Ｓｉ
ｎｇｅｒ ｅｔ ａｌ．：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．６４，ｐ．７０７，１９９４）、本発明において
も、ＧａＡｓ層１３にＥｒを５×１０18ｃｍ-3ドープし
た場合、Ｅｒクラスタ１５が禁制帯中に準位を形成す
る。
【００２６】この磁気検出半導体装置に磁場を印加した
場合には、Ｅｒクラスタ１５を構成するＥｒ原子のスピ
ンが磁場の強さに応じて一方向に整列し、第１の実施例
と同様な磁気抵抗効果を示すことになる。なお、この場
合の磁性不純物としては、Ｅｒと同様の特性を有する他
の希土類元素でも良い。
場合には、Ｅｒクラスタ１５を構成するＥｒ原子のスピ
ンが磁場の強さに応じて一方向に整列し、第１の実施例
と同様な磁気抵抗効果を示すことになる。なお、この場
合の磁性不純物としては、Ｅｒと同様の特性を有する他
の希土類元素でも良い。
【００２７】次に、シングルヘテロ接合を利用した第３
の実施例を説明する。 図５参照 この場合にも、基本的には第１の実施例と同様にＢｅを
ドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０とＧａＡｓ層１３と
の間でヘテロ接合を形成し、ＧａＡｓ層１３のヘテロ接
合界面近傍に生ずる２次元ホール層にＮｉ原子１４をド
ープする。
の実施例を説明する。 図５参照 この場合にも、基本的には第１の実施例と同様にＢｅを
ドープしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０とＧａＡｓ層１３と
の間でヘテロ接合を形成し、ＧａＡｓ層１３のヘテロ接
合界面近傍に生ずる２次元ホール層にＮｉ原子１４をド
ープする。
【００２８】このような、シングルヘテロ接合構造を利
用した磁気検出半導体装置の場合には、第１の実施例と
は異なって、ヘテロ接合界面近傍の２次元ホール層のみ
が実効的なキャリア走行層であるので、２次元ホール
層、即ち、ＧａＡｓ層のｐ型ＡｌＧａＡｓ層寄りの部分
に磁性不純物が確実にドープされるようにする必要があ
る。
用した磁気検出半導体装置の場合には、第１の実施例と
は異なって、ヘテロ接合界面近傍の２次元ホール層のみ
が実効的なキャリア走行層であるので、２次元ホール
層、即ち、ＧａＡｓ層のｐ型ＡｌＧａＡｓ層寄りの部分
に磁性不純物が確実にドープされるようにする必要があ
る。
【００２９】上記実施例１乃至実施例３は、磁気検出半
導体素子のみからなる磁気検出半導体装置を説明したも
のであるが、磁気検出半導体素子からの検出信号を処理
する周辺回路を磁気検出半導体素子とモノリシックに一
体化しても良い。この場合には、半絶縁性ＧａＡｓ基板
上にＧａＡｓバッファ層を介して第１のｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ層、Ｎｉ等の磁性不純物をドープしたＧａＡｓ層、及
び、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓ層（必要に応じて、ｐ+ 型
ＧａＡｓコンタクト層）を連続的に成長させたのち、磁
気検出半導体素子を形成する部分を除いて、少なくとも
ＧａＡｓバッファ層が露出するまで第２のｐ型ＡｌＧａ
Ａｓ層、ＧａＡｓ層、及び、第１のｐ型ＡｌＧａＡｓ層
を除去する。
導体素子のみからなる磁気検出半導体装置を説明したも
のであるが、磁気検出半導体素子からの検出信号を処理
する周辺回路を磁気検出半導体素子とモノリシックに一
体化しても良い。この場合には、半絶縁性ＧａＡｓ基板
上にＧａＡｓバッファ層を介して第１のｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ層、Ｎｉ等の磁性不純物をドープしたＧａＡｓ層、及
び、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓ層（必要に応じて、ｐ+ 型
ＧａＡｓコンタクト層）を連続的に成長させたのち、磁
気検出半導体素子を形成する部分を除いて、少なくとも
ＧａＡｓバッファ層が露出するまで第２のｐ型ＡｌＧａ
Ａｓ層、ＧａＡｓ層、及び、第１のｐ型ＡｌＧａＡｓ層
を除去する。
【００３０】次いで、露出したＧａＡｓバッファ層、或
いは、その上に選択的に成長させたＧａＡｓ層或いは多
層ヘテロ接合構造等に信号処理のためのＭＥＳＦＥＴ或
いはＨＢＴ等からなる周辺回路を形成する。この様に、
周辺回路部においては、磁性不純物を含んでいるＧａＡ
ｓ層を除去しているので、周辺回路を構成するＭＥＳＦ
ＥＴ或いはＨＢＴ等の能動素子が磁場の影響を受けるこ
とが少なくなる。
いは、その上に選択的に成長させたＧａＡｓ層或いは多
層ヘテロ接合構造等に信号処理のためのＭＥＳＦＥＴ或
いはＨＢＴ等からなる周辺回路を形成する。この様に、
周辺回路部においては、磁性不純物を含んでいるＧａＡ
ｓ層を除去しているので、周辺回路を構成するＭＥＳＦ
ＥＴ或いはＨＢＴ等の能動素子が磁場の影響を受けるこ
とが少なくなる。
【００３１】なお、上記の半導体集積回路装置の実施例
においては、周辺回路部において磁性不純物を含んでい
るＧａＡｓ層を選択的に除去しているものの、逆に、磁
気検出素子部分にのみ選択的に磁性不純物を含んでいる
ＧａＡｓ層を成長させても良いものであり、また、上記
の説明においてはダブルヘテロ接合構造になっている
が、シングルヘテロ接合でも良いものである。
においては、周辺回路部において磁性不純物を含んでい
るＧａＡｓ層を選択的に除去しているものの、逆に、磁
気検出素子部分にのみ選択的に磁性不純物を含んでいる
ＧａＡｓ層を成長させても良いものであり、また、上記
の説明においてはダブルヘテロ接合構造になっている
が、シングルヘテロ接合でも良いものである。
【００３２】また、上記の各実施例においては、キャリ
ア供給層としてｐ型ＡｌＧａＡｓを用い、キャリア走行
層としてＧａＡｓ層を用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系
で構成しているが、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系やＧａＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓ系等の他の化合物半導体を用いても良
く、また、ｐ型不純物としてＢｅを用いているがＺｎや
Ｍｇ等の不純物でも良いものである。
ア供給層としてｐ型ＡｌＧａＡｓを用い、キャリア走行
層としてＧａＡｓ層を用いたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系
で構成しているが、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系やＧａＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓ系等の他の化合物半導体を用いても良
く、また、ｐ型不純物としてＢｅを用いているがＺｎや
Ｍｇ等の不純物でも良いものである。
【００３３】また、上記の各実施例においては、キャリ
ア供給層としてｐ型ＡｌＧａＡｓを用い、２次元キャリ
ア層が２次元ホール層であるが、キャリア供給層として
ｎ型半導体を用い、２次元キャリア層を２次元電子層と
しても良いものであり、この場合には、キャリア供給層
の電子親和力を磁性不純物をドープする２次元キャリア
層の電子親和力より小さくする必要がある。
ア供給層としてｐ型ＡｌＧａＡｓを用い、２次元キャリ
ア層が２次元ホール層であるが、キャリア供給層として
ｎ型半導体を用い、２次元キャリア層を２次元電子層と
しても良いものであり、この場合には、キャリア供給層
の電子親和力を磁性不純物をドープする２次元キャリア
層の電子親和力より小さくする必要がある。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、半導体超格子構造に起
因する２次元キャリア層を利用し、この２次元キャリア
層に磁性不純物をドープすることにより、キャリアのス
ピンと磁性不純物のスピンとの磁気的相互作用を効率的
に行うことができるので、超小型の磁気検出素子におい
て容易に巨大磁気抵抗（ＭＲ）効果を実現でき、磁気記
録装置の高密度化が可能になり、また、半導体を使用し
ているので、信号処理のための周辺回路も一体に形成で
き、システム全体の小型化に大いに寄与するものであ
る。
因する２次元キャリア層を利用し、この２次元キャリア
層に磁性不純物をドープすることにより、キャリアのス
ピンと磁性不純物のスピンとの磁気的相互作用を効率的
に行うことができるので、超小型の磁気検出素子におい
て容易に巨大磁気抵抗（ＭＲ）効果を実現でき、磁気記
録装置の高密度化が可能になり、また、半導体を使用し
ているので、信号処理のための周辺回路も一体に形成で
き、システム全体の小型化に大いに寄与するものであ
る。
【図１】本発明の原理的構成を説明するための価電子帯
側のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
側のエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図２】本発明の磁気抵抗効果の原理の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施例の価電子帯側のエネルギ
・バンド・ダイヤグラムである。
・バンド・ダイヤグラムである。
【図４】本発明の第２の実施例の価電子帯側のエネルギ
・バンド・ダイヤグラムである。
・バンド・ダイヤグラムである。
【図５】本発明の第３の実施例の価電子帯側のエネルギ
・バンド・ダイヤグラムである。
・バンド・ダイヤグラムである。
【図６】従来の強磁性体薄膜の磁気抵抗効果の原理の説
明図である。
明図である。
【図７】従来の金属人工格子の構成の説明図である。
１ 電子親和力＋禁制帯幅の大きな第１の半導体層 ２ 電子親和力＋禁制帯幅の大きな第２の半導体層 ３ アクセプタ（導電型決定不純物） ４ 電子親和力＋禁制帯幅の小さな半導体層 ５ 磁性不純物 ６ Ｕｐ不純物 ７ Ｄｏｗｎ不純物 ８ Ｕｐ電子 ９ Ｄｏｗｎ電子 １０ 第１のｐ型ＡｌＧａＡｓ層 １１ 第２のｐ型ＡｌＧａＡｓ層 １２ Ｂｅ原子 １３ ＧａＡｓ層 １４ Ｎｉ原子 １５ Ｅｒクラスタ １６ 強磁性体薄膜 １７ 電圧印加源 １８ Ｆｅ薄膜 １９ Ｃｒ薄膜 ２０ 金属人工格子
Claims (10)
- 【請求項１】 電子親和力と禁制帯幅の和、或いは、電
子親和力が互いに異なる半導体によりヘテロ接合を形成
して、前記半導体の界面近傍に２次元キャリア層を形成
すると共に、前記２次元キャリア層中に磁性不純物をド
ープしたことを特徴とする磁気検出半導体装置。 - 【請求項２】 上記ヘテロ接合をダブルヘテロ接合と
し、２つのヘテロ接合に挟まれた半導体層側に上記２次
元キャリア層が形成されるようにしたことを特徴とする
請求項１記載の磁気検出半導体装置。 - 【請求項３】 上記ダブルヘテロ接合の、上記２つのヘ
テロ接合に挟まれた半導体層の厚さを、量子井戸構造が
形成される厚さにしたことを特徴とする請求項２記載の
磁気検出半導体装置。 - 【請求項４】 上記ヘテロ接合をシングルヘテロ接合と
したことを特徴とする請求項１記載の磁気検出半導体装
置。 - 【請求項５】 上記ヘテロ接合を形成する半導体とし
て、互いに電子親和力と禁制帯幅の和が異なる半導体を
用い、且つ、上記２次元キャリア層の形成されない方の
半導体をｐ型にしたことを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか１項に記載の磁気検出半導体装置。 - 【請求項６】 上記ヘテロ接合をｐ型ＡｌＧａＡｓとＧ
ａＡｓにより形成したことを特徴とする請求項５記載の
磁気検出半導体装置。 - 【請求項７】 上記磁性不純物として、遷移金属を用い
たことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記
載の磁気検出半導体装置。 - 【請求項８】 上記磁性不純物として希土類元素を用い
たことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記
載の磁気検出半導体装置。 - 【請求項９】 請求項１記載の磁気検出半導体装置と、
前記磁気検出半導体装置からの検出信号を処理する周辺
回路とをモノリシックに一体化したことを特徴とする半
導体集積回路装置。 - 【請求項１０】 上記周辺回路を設ける領域には、上記
磁性不純物をドープした半導体層が存在しないようにし
たことを特徴とした請求項９記載の半導体集積回路装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6252602A JPH08116107A (ja) | 1994-10-19 | 1994-10-19 | 磁気検出半導体装置及び半導体集積回路装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6252602A JPH08116107A (ja) | 1994-10-19 | 1994-10-19 | 磁気検出半導体装置及び半導体集積回路装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08116107A true JPH08116107A (ja) | 1996-05-07 |
Family
ID=17239653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6252602A Withdrawn JPH08116107A (ja) | 1994-10-19 | 1994-10-19 | 磁気検出半導体装置及び半導体集積回路装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08116107A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005003801A3 (en) * | 2003-06-02 | 2005-09-15 | Honeywell Int Inc | Semiconductor device and magneto-resistive sensor integration |
| US7420365B2 (en) | 2006-03-15 | 2008-09-02 | Honeywell International Inc. | Single chip MR sensor integrated with an RF transceiver |
-
1994
- 1994-10-19 JP JP6252602A patent/JPH08116107A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7239000B2 (en) | 2003-04-15 | 2007-07-03 | Honeywell International Inc. | Semiconductor device and magneto-resistive sensor integration |
| US7423329B2 (en) | 2003-04-15 | 2008-09-09 | Honeywell International Inc. | Semiconductor device and magneto-resistive sensor integration |
| WO2005003801A3 (en) * | 2003-06-02 | 2005-09-15 | Honeywell Int Inc | Semiconductor device and magneto-resistive sensor integration |
| US7420365B2 (en) | 2006-03-15 | 2008-09-02 | Honeywell International Inc. | Single chip MR sensor integrated with an RF transceiver |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20020115 |