WO2004077585A1 - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

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Yoshihiko Shibata
Shuji Ise
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Asahi Kasei Electronics Co., Ltd.
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    • H10N52/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor sensor such as a magnetic sensor and a method of manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a compound semiconductor on Si which can be applied to a compound semiconductor magnetic sensor or an electronic device using InSb or the like as an active layer. The present invention relates to a semiconductor sensor and a method for manufacturing the same. Background art
  • Hall elements which are magnetic sensors, have been used in a wide range of fields, including mobile phone and automotive applications, including the detection of the magnetic pole position of brushless motors used for driving DVD-ROMs and VTRs.
  • the field needs of high-sensitivity, inexpensive and low-power-consumption Hall elements are increasing.
  • the sensitivity of a Hall element is proportional to the electron mobility of the semiconductor material
  • the input resistance of the Hall element is proportional to the sheet resistance of the material.
  • the input resistance and sensitivity of the Hall element can be adjusted by design, but there is a trade-off relationship. Therefore, to form a device with high sensitivity and large input resistance, a material with high electron mobility and high sheet resistance is required.
  • the relationship between electron mobility, sheet resistance R s, and sheet carrier concentration N s is expressed by the following equation, where e is the electric charge.
  • the sheet carrier concentration Ns InSb, InAs, GaAs, etc., which have relatively high electron mobilities, have been used as materials for Hall elements.
  • the bulk single crystal has a high electron mobility of 75000 cmVVs, b is advantageous for forming a high-sensitivity element.
  • InSb or InAs as a bulk single crystal. Therefore, a thin film of these materials is formed on a substrate to form an element.
  • the quality of the film is poor, carriers due to defects are generated, the sheet carrier concentration increases, and the Hall element is not suitable for practical use.
  • the film thickness is increased in order to improve the film quality and the electron mobility, the sheet carrier concentration also increases, which is similarly unsuitable for practical use.
  • the substrate has been GaAs is used the same crystalline structure as the I nS b and I NAS, Shitokiya rear density at a film thickness of 1 m is 2 XE 12Zcm 2 before and after a good film is obtained Have been.
  • GaAs substrates are expensive, heavy, and often cannot use the process equipment used in LSI processes. Further, since the substrate is polished when the element is formed, the shavings are not preferable for the environment.
  • An object of the present invention is to form an InSb or InAs film having a high electron mobility and a relatively large sheet resistance on an Si substrate. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a semiconductor sensor excellent in high sensitivity and low power consumption and a method for manufacturing the same. Disclosure of the invention
  • the formation of InSb or InAs directly on the (100) Si or (1 1 1) Si substrate can produce a film thickness of about 1 as in the conventional technology. Does not provide a film with low sheet carrier concentration, high electron mobility and high resistance, but (1 11) First, Ga, A1, In, As, Sb, P After forming a first compound semiconductor layer composed of at least two or more kinds of elements and then forming InSb or InAs thereon, the sheet carrier concentration can be reduced to about 1 xm. It was found that a film having high electron mobility and high resistance can be obtained at 2XE 12 / 0.m 2 or less.
  • the present invention provides at least two or more of GaA1InAsSbP on a Si substrate having the (1 1 1) plane parallel to the substrate surface.
  • a first compound semiconductor layer composed of an element is provided, and further, on the first compound semiconductor layer, I nxGa — xAS yS bi— y (0 ⁇ x ⁇ l. ) more preferably, the second compound semiconductor layer composed of I n x G a X A s y S b (0. 5 ⁇ x ⁇ 1. 0 0 ⁇ y ⁇ l. 0) are provided.
  • the (1 1 1) planes of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor layer are formed parallel to the substrate surface.
  • This second compound semiconductor layer operates as a functional layer. Furthermore, electrodes are provided on both ends of the second compound semiconductor layer so that current flows in the in-plane direction of the second compound semiconductor layer.
  • the first compound semiconductor layer is A 1! - is preferably a G a z A s (0 ⁇ z ⁇ 1 ), it is preferred second compound semiconductor layer is I nAs y S b -y (0 ⁇ y ⁇ l).
  • the second compound semiconductor layer may be doped with impurities, preferably Si or Sn.
  • the second compound semiconductor layer be covered with a passivation film except for a contact portion with the electrode.
  • Such a semiconductor sensor has a (1 1 1) plane on a Si substrate whose surface is parallel to the substrate surface.
  • the second compound semiconductor layer may be doped with Si or Sn impurities.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a laminate including a compound semiconductor layer on Si according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view showing an example of a magnetic sensor using the laminate shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing an X-ray diffraction result of the surface of the compound semiconductor layer.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a laminated body including a compound semiconductor layer on Si according to the present invention, wherein reference numeral 1 denotes a (1 1 1) Si substrate, 2 denotes a first compound semiconductor layer, and 3 denotes a first compound semiconductor layer. 2 shows a second compound semiconductor layer.
  • This laminated body is composed of a Si substrate 1 having a (1 1 1) plane parallel to the substrate surface, and a second substrate composed of at least two of Ga, A, In, As, Sb, and P elements.
  • first compound semiconductor layer 2 is provided, further, on the first compound semiconductor layer 2, I NxGa one x As y S (0 rather x ⁇ l. 0, 0 ⁇ y ⁇ 1. 0) second reduction consisting
  • a compound semiconductor layer 3 is provided.
  • the (1 1 1) planes of the first compound semiconductor layer 2 and the second compound semiconductor layer 3 are configured to be parallel to the substrate surface.
  • Substrate 1 must be (1 1 1) S i, usually (1 1 1) ⁇ 10 degrees A substrate is used.
  • the first compound semiconductor layer 2 is composed of a compound semiconductor composed of at least two or more of Ga, A 1, In, As, Sb, and P.
  • the thickness of 2 is usually from 0.1 m to 10 im, preferably from 0.1 m to 5 m, and more preferably from 0.5 m to 2 m.
  • a 1 i-.Ga.As (0 ⁇ 1) is a preferred example of the first compound semiconductor layer 2, and particularly, GaAs is a preferred example.
  • the second compound semiconductor layer 3 is made of I nxGai- x As y S y ( 0 ⁇ y ⁇ 1), the thickness of the second compound semiconductor layer 3 is usually 0. 1 m or more, thick Then, the sheet resistance decreases.
  • high-sensitivity and relatively high-resistance Hall elements usually 0.15! ⁇ 2, preferably from 0.3 m to 1.5 m, and more preferably from 0.5 m to 1.2 m.
  • InSySb—y (0 ⁇ y ⁇ l) is a preferable example for the second compound semiconductor layer 3, and particularly, InSb and InAs are preferable examples.
  • the second compound semiconductor layer 2 may be doped with impurities.
  • Preferred examples of the doping element include Si and Sn.
  • the impurity concentration is usually 1 XE 15 Zcm 3 to 3.5 XE 16 / cm 3 , preferably 2 XE 15 / cm 3 to 2.5 XE 16 / cm 3 , more preferably 5 XE 1 5Zcm 3 ⁇ 2
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a magnetic sensor using the laminate shown in FIG. 1.
  • reference numeral 4 denotes a metal electrode layer
  • reference numeral 5 denotes a protective layer (passivation film). Note that components having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
  • This magnetic sensor has Ga, Ga on a Si substrate 1 whose (1 1 1) plane is parallel to the substrate surface.
  • a first compound semiconductor layer 2 composed of at least two or more elements among Al, In, As, Sb, and P is provided. Further, on the first compound semiconductor layer 2, I A second compound semiconductor layer 3 composed of SyS b -y (0.5 ⁇ x ⁇ 1.0, 0 ⁇ y ⁇ 1.0) is provided, and the first compound semiconductor layer 2 and the second compound semiconductor layer are provided. 3 (1 1 1) plane is configured to be parallel to the substrate surface, and metal electrode layers 4 are provided on both end sides of the second compound semiconductor layer 3. The second compound semiconductor layer 3 is covered with a protective layer 5 (passivation film) except for a contact portion with the metal electrode layer 4.
  • a protective layer 5 passivation film
  • the metal electrode layer 4 constituting the magnetic sensor is usually an ohmic electrode, and it is preferable that the metal electrode layer 4 is in ohmic contact with the sensor layer.
  • the material of the electrode may be a known multilayer electrode such as Au Ge / Ni / Au or a single-layer metal.
  • the passivation one passivation film, S i N, S i ON , S i 0 2 is Ru preferred embodiment der.
  • the magnetic sensor of the present invention includes a Hall element, a magnetoresistive element, and the like.
  • the electrical characteristics were measured using the van der Pauw method. As a result, good characteristics were obtained with a sheet carrier concentration of 1.7 E 12 / cm 2 and an electron mobility of 37,000 or more.
  • an In S'b film of 1 m was formed directly on a 2 inch diameter (111) Si substrate by molecular beam epitaxy (MBE).
  • the electrical characteristics were measured using the van der Pauw method. As a result, The carrier concentration was as large as 3.1 XE 12 Zcm 2, and the electron mobility was only 11000 cmW s.
  • a Hall element as a magnetic sensor similar to that of FIG. 2 was formed on the laminated substrate formed in Example 1 by using a photolithography method, and the Hall element characteristics were measured.
  • the electrodes were used by successively depositing a Ti layer of 100 nm and an Au layer of 600 nm by a vacuum deposition method.
  • the chip size of the Hall element is 360 ⁇ mX360zm, and three types of different structures are simultaneously formed, and the characteristics of the elements of each design structure are adjusted by applying an input voltage of 1 V in a magnetic field of 5 OmT. evaluated. The results are shown in Table 1.
  • Design B it was confirmed that a high-sensitivity Hall element with a large element resistance of 300 ⁇ or more, low sensitivity of 6 OmV or more, and low power consumption can be formed.
  • higher sensitivity can be achieved, but in that case the resistance will be lower (design A) and higher resistance will be possible, but in that case the sensitivity will be worse (design C).
  • the sheet carrier concentration of the material is as good as 1.7E 12 / cm 2 , the design flexibility is high and high sensitivity and high resistance element design is possible.
  • Design A shows almost the same element resistance as design B in Example 2, but the sensitivity at that time is 33 mV, and only about 50% of 62 mV in Example 2 can be obtained.
  • the sensitivity and resistance are traded off, it is possible to design the sensitivity to be higher than 33mV, but in that case, the element resistance will be further reduced. It is impossible to form a device with high sensitivity and high resistance. This is caused, since shea one Tokyaria concentration of the material is as large as 3. 1 XE 1 2 / cm 2 , because there is no degree of freedom in design.
  • nSb was formed sequentially. During the formation of InSb, two-stage growth was performed.
  • a Hall element as a magnetic sensor similar to that described above was formed, and the Hall element characteristics were measured.
  • the electrodes were used by successively depositing a Ti layer of 100 nm and an Au layer of 600 nm by a vacuum deposition method.
  • the chip size of the Hall element is 360 m x 360 m.Three different structures with different designs are formed at the same time, and the characteristics of the elements of each design structure are adjusted by applying a 1 V input voltage in a magnetic field of 5 OmT. Was evaluated. The results are shown in the table below.
  • design B it was confirmed that the element resistance was as large as 300 ⁇ or more, the sensitivity was as low as 8 OmV, and a highly sensitive element could be formed.
  • the design can be made more sensitive, in which case the resistance will be lower (design A) and the resistance can be made higher, but in that case the sensitivity will be worse (design C) but the material Since the carrier concentration is as high as 1.0 E 12 / cm 2 , the design flexibility is high and high sensitivity and high resistance element design is possible.
  • a first compound semiconductor layer composed of at least two elements of Ga, A, In, As, Sb, and P is provided.
  • AS yS bi one y (0 ⁇ 1. 0, 0 ⁇ y ⁇ l. 0) a second compound semiconductor layer provided et the consisting.
  • the (1 1 1) planes of the first compound semiconductor layer and the second compound semiconductor are parallel to the substrate surface, and have high electron mobility and relatively high sheet resistance. It becomes possible to form a film on a Si substrate.
  • an Si substrate that is less expensive, more versatile, and more environmentally friendly than GaAs substrates By using it, it becomes possible to industrially provide an element having high sensitivity and low power consumption.

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Abstract

　本発明は、半導体センサ及びその製造方法に関し、電子移動度が高く、シート抵抗が比較的大きなＩｎＳｂやＩｎＡｓ膜をＳｉ基板上に形成することを可能にし、高感度で低消費電力の優れた素子を工業的に提供可能にする。（１１１）Ｓｉ基板（１）上に、まず、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ，Ｐのうち少なくとも２種以上の元素から構成された第一化合物半導体層（２）を形成し、この第一化合物半導体層（２）の上に、第二化合物半導体層（３）として、ＩｎＳｂやＩｎＡｓを形成することにより、１μｍ前後の膜厚で高電子移動度であり、かつ、高抵抗の膜が得られる。さらに、得られた薄膜を用いてホール素子を形成し、高感度で比較的高抵抗の素子形成が可能となる。

Description

明 細 書 半導体センサ及びその製造方法 技術分野
本発明は、 磁気センサ等の半導体センサ及びその製造方法に関し、 より詳細 には、 I n S bなどを活性層とした化合物半導体磁気センサや電子デバイスな どに応用できる S i上の化合物半導体を含む半導体センサ及びその製造方法に 関するものである。 背景技術
'近年、 磁気センサであるホール素子は、 D V D-R OMや V T Rの駆動に用い られるブラシレスモータの磁極の位置検出をはじめとして、 携帯電話や自動車 用途など幅広い分野で使用されてきている。 特に 高感度で、 安価な比較的消 費電力が小さいホール素子の巿場ニーズは大きくなってきている。
一般に、 ホール素子の感度は、 その材料である半導体材料の電子移動度に比 例し、 ホール素子の入力抵抗は、 材料のシート抵抗に比例する。 ホール素子の 入力抵抗と感度は、 設計で調整可能であるが、 トレードオフの関係である。 こ のため、 高感度で、 大きな入力抵抗の素子を形成するには、 電子移動度が大き く、 シート抵抗の大きな材料が必要になる。 電子移動度 とシート抵抗 R s、 シ一トキヤリァ濃度 N sの関係は、 eを電荷とすると次式で表わされる。
1 / (R s * = N s · e
従って、 電子移動度 Xが大きく、 シート抵抗 R sの大きな材料を形成するに は、 シートキャリア濃度 N sを小さくする必要があることになる。 従来は、 電子移動度が比較的大きな、 I nS b、 I nAs、 GaAsなどが、 ホール素子用材料として用いられており、 特に、 バルク単結晶の電子移動度が 75000 cmVV sと大きい I n S bが高感度素子の形成には有利である。 通常、 I nS bや I nAsのバルク単結晶成長は困難であるため、基板上に、 これら材料の薄膜を形成して素子化する。 この際、 膜の質が悪いと欠陥に起因 したキャリアが発生し、 シートキャリア濃度が大きくなり、 実用化に向かない ホール素子となる。 また、 膜質を向上させて電子移動度を改善するために、 膜 厚を厚くすると、 やはりシートキャリア濃度は大きくなり、 同様に実用化に向 かない。
高感度で消費電力の比較的小さなホール素子を得るためには、 l ^m前後の 薄い薄膜で、 シートキャリア濃度が 2 XE 12 /cm2以下の良質な薄膜を形成 する必要がある。 そのため、 従来は、 基板としては I nS bや I nAsと結晶 構造が同じである GaAsが用いられてきており、 1 mの膜厚でシートキヤ リア濃度が 2 XE 12Zcm2前後の良好な膜が得られている。
しかし、 GaAs基板は高価であり、 重量が重く、 LS Iプロセスで用いら れているプロセス機器が使用できない場合が多い。 さらに、 素子化の際に基板 を研磨するので、 その削りかすは環境にも好ましくない。
S i基板の使用が可能であれば、 上述した問題は全て解決し、 さらに、 I C と磁気センサのモノリシック化も可能となって大きなメリットを生じる。 とこ ろが、 S i基板上では、 I nSb、 I nA sと結晶構造が異なるためか、 良質 の膜が得られていない。 例えば、 特開平 1 1-251657号公報には、 （1 1 1 ) G a A s及び （ 1 1 1 ) S i基板上に I n S bを形成すると高抵抗の膜が 得られることが記載されており、 また、 （1 1 1) GaAs上に I nS b膜を 形成し、 高抵抗で高感度の磁気センサが得られることが記載されている。
しかしながら、 本発明者らは、 上述した特開平 1 1-251657号公報に基 づき、 （111) S i上に直接 I nSb膜を 1 / m形成した結果、 高電子移動 度の膜が得られないことを確認した。
また、 （1 11) 3 1上の111313膜、 およびそれを用いた磁気センサは、 上述した特開平 11-251657号公報の出願前に既に公知であり、高感度の 磁気センサが得られたという報告がある （例えば、 「N a t i o n a 1 Te c h n i c a 1 Re p o r t」 1996、 Vo l. 42、 No. 4、 P 84- P 92) 。 ただし、 高感度の膜を得るために、 I n S bは 3 m以上形成され ており、 高感度かつ高抵抗の素子形成は困難であることが、 この報告からも示 唆されている。
本発明は、 このような問題に鑑みてなされたもので、 その目的とするところ は、 電子移動度が高く、 シート抵抗が比較的大きな I nSbや I nAs膜を S i基板上に形成することを可能にし、 もって、 高感度で低消費電力の優れた半 導体センサ及びその製造方法を提供することにある。 発明の開示
発明者らが検討を進めた結果、. (100) S iや (1 1 1) S i基板上に直 接 I nSbや I nAsを形成すると、 従来の技術と同様に 1 前後の膜厚で は、シートキヤリァ濃度が小さく、高電子移動度で高抵抗の膜は得られないが、 (1 11) S i基板上に、 まず、 Ga、 A 1、 I n、 A s、 Sb、 Pのうち少 なくとも 2種以上の元素から構成された第一化合物半導体層を形成後、 その上 に、 I nSbや I nAsを形成することにより、 1 xm前後の膜厚で、 シ一ト キヤリァ濃度が、 2XE 12/ 0. m2以下で、 高電子移動度で高抵抗の膜が得ら れることを見いだした。
このような現象が、 （100) S iでは発生せず、 （1 11) S i上で得られ るのは、 S i表面上の結合ポンド数の違いに起因する可能性が高いと推察され る。
(1 1 1) S iと第一化合物半導体層間で、 結晶構造の違い等による欠陥が発 生するが、その欠陥の影響が第二化合物半導体まで及ばない。その結果として、 第一化合物半導体と第二化合物半導体は、 通常は 5 %以上も格子間隔が異なる にもかかわらず、 良好な膜が得られると考えられる。 さらに、 得られた薄膜を 用いてホール素子を形成し、 高感度で比較的高抵抗の素子形成が可能であるこ とを確認し、 本発明を実現するに至った。
本発明は、 このような目的を達成するために、 （1 1 1) 面が基板表面に平 行な S i基板上に、 Ga A 1 I n A s S b Pのうち少なくとも 2種 以上の元素から構成された第一化合物半導体層が設けられ、 さらに、 該第一化 合物半導体層上に、 I nxGa — xAS yS b i— y (0く x≤l. 0 0≤y≤ l. 0) より好ましくは、 I nxG a XA s y S b (0. 5≤x≤ 1. 0 0≤ y≤ l . 0) からなる第二化合物半導体層が設けられる。 その結果、 第一化合 物半導体層及び第二化合物半導体層の （1 1 1) 面が、 基板表面に平行に形成 されることとなる。
この第二化合物半導体層が機能層として動作する。 さらに、 前記第二化合物 半導体層の面内方向に電流が流れるように、 該第二化合物半導体層の両端側に 電極が設けられる。
また、 第一化合物半導体層が A 1！ -, G a z A s (0≤z≤ 1) であることが 好ましく、 第二化合物半導体層は I nAs yS b -y (0≤y≤ l) であること が好ましい。 第二化合物半導体層には不純物、 好ましくは S iまたは Snがド ープされてもよい。
また、 第二化合物半導体層は、 電極との接触部以外が、 パッシベーシヨン膜 で覆われていることが好ましい。
このような半導体センサは、 （1 1 1)面が基板表面に平行な S i基板上に、 Ga、 A l、 I n、 As、 S b、 Pのうち少なくとも 2種以上の元素から構成 された第一化合物半導体層を形成し、 さらに、 第一化合物半導体層上に、 I nx Ga^.As yS bx_y (0<χ≤1. 0、 0≤y≤l. 0) からなる第二化合物 半導体層を形成し、 第二化合物半導体層上に電極を形成することにより製造さ れる。 第二化合物半導体層に S iまたは Sn不純物をドープしてもよい。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る S i上の化合物半導体層を含む積層体を示す断面模式 図である。
図 2は、 図 1に示した積層体を用いた磁気センサの一例を示す断面構造模式 図である。
図 3は、 化合物半導体層の表面の X線回析結果を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図 1は、 本発明に係る S i上の化合物半導体層を含む積層体を示す断面模式 図で、 図中符号 1は (1 1 1) S i基板、 2は第一化合物半導体層、 3は第二 化合物半導体層を示している。
この積層体は、 （1 1 1) 面が基板表面に平行な S i基板 1上に、 Ga、 A し I n、 As、 S b、 Pのうち少なくとも 2種以上の元素から構成された第 一化合物半導体層 2が設けられ、 さらに、 この第一化合物半導体層 2上に、 I nxGa 一 xAs yS (0く x≤l. 0、 0≤y≤ 1. 0) からなる第二化 合物半導体層 3が設けられている。 第一化合物半導体層 2及び第二化合物半導 体層 3の （1 1 1) 面が、 基板表面に平行であるように構成されている。
基板 1は、 （1 1 1) S iであることが必要で、 通常 （1 1 1) ± 10度の 基板が用いられる。
また、 第一化合物半導体層 2は、 G a, A 1 , I n, As , S b, Pのうち 少なくとも 2種以上の元素から構成された化合物半導体からなり、 この第一化 合物半導体層 2の厚さは、 通常 0 1 m〜l 0 imであり、 好ましくは、 0. 1 m〜5 mであり、 さらに 0. 5 m〜 2 mであることが望ましい。
A 1 i-.Ga.A s (0≤ ζ≤ 1) は第一化合物半導体層 2として好ましい例で あり、 特に GaA sが好ましい例である。
また、 第二化合物半導体層 3は、 I nxGai— xAs yS y (0≤y≤ 1) からなり、 この第二化合物半導体層 3の厚さは、 通常 0. 1 m以上であり、 厚くなるとシート抵抗が小さくなる。 高感度で比較的抵抗の高いホール素子を 形成する場合、 通常、 0. 1 5 ！〜 2 であり、 好ましくは、 0. 3 m 〜 1. 5 mであり、 さらに好ましくは、 0. 5 m〜l. 2 mであること が望ましい。 I nA S yS b —y (0≤y≤ l) は、 第二化合物半導体層 3とし て好ましい例であり、 特に、 I nS bや I nAsが好ましい例である。
また 第二化合物半導体層 2には不純物がド一プされていても良い。 ドーピ ング元素としては、 S iや S nなどが好ましい例である。不純物濃度としては、 通常、 l XE 1 5Zcm3〜3. 5 X E 1 6 / c m3、 好ましくは、 2 XE 1 5 /cm3〜2. 5 XE 1 6/cm3、 さらに好ましくは、 5 XE 1 5Zcm3〜2
XE 1 6 cm3であることが望ましい。
図 2は、 図 1に示した積層体を用いた磁気センサの一例を示す断面構造模式 図で、 図中符号 4は金属電極層、 5は保護層 （パッシベ一シヨン膜） を示して いる。 なお、 図 1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。 この磁気サンサは、 （1 1 1)面が基板表面に平行な S i基板 1上に、 Ga、
A l、 I n、 As、 S b、 Pのうち少なくとも 2種以上の元素から構成された 第一化合物半導体層 2が設けられ、 さらに、 この第一化合物半導体層 2上に、 I
Figure imgf000009_0001
SyS b -y (0. 5≤x≤ 1. 0、 0≤y≤ 1. 0) からなる 第二化合物半導体層 3が設けられていて、 第一化合物半導体層 2及び第二化合 物半導体層 3の（1 1 1)面が、基板表面に平行であるように構成されており、 さらに、 第二化合物半導体層 3上の両端側に金属電極層 4が設けられている。 この第二化合物半導体層 3は、 金属電極層 4との接触部以外が保護層 5 (パッ シべ一シヨン膜） で覆われている。
この磁気センサを構成している金属電極層 4は、 通常はォーミック電極であ り、 センサ層にォ一ミックコンタクトすることが好ましい。 電極の材質は、 Au Ge/N i /Auなどの公知の多層電極でも良いし、 単層の金属でも良い。 パッシベ一ション膜としては、 S i N、 S i ON、 S i 02が好ましい例であ る。 また、 本発明の磁気センサとしては、 ホール素子や磁気抵抗素子などが含 まれる。
[実施例 1 ]
まず、 直径 2インチの (1 1 1) S i基板上に分子線エピタキシー (MBE) 法により.. 第一化合物半導体層 2として 700 n mの G a A sを、 第二化合物 半導体層 3として 1 , mの I n S bを順次形成した。
第一化合物半導体層 2及び第二化合物半導体層 3の (1 1 1) 面が基板 1の 表面に平行であることは X線回折法で確認した。
電気特性は、 v an d e r P a uw法を用いて測定した。 その結果、 シ —トキャリア濃度が、 1. 7 E 12/cm2で、 電子移動度も 37000以上の 良好な特性が得られた。
[比較例 1 ]
まず、 直径 2インチの （1 1 1) S i基板上に分子線エピタキシー （MBE) 法により、 じかに、 I n S'b膜を 1 m形成した。
電気特性は、 v an d e r P a uw法を用いて測定した。 その結果、 シ ートキャリア濃度は、 3. 1 XE 12Zcm2と大きく、 電子移動度も 1100 0 cmW sしか得られなかった。
[実施例 2]
次に、 上述した実施例 1で形成した積層基板上に、 フォトリソグラフィ一法 を用いて、 図 2と同様な磁気センサであるホール素子を形成し、 ホール素子特 性を測定した。 なお、 電極は、 真空蒸着法により T i層 100nm、 Au層 6 00 nmを連続蒸着して用いた。 ホール素子のチップサイズは 360 ^mX 3 60 zmであり、 3種類の設計の異なる構造を同時に形成し、 各設計構造の素 子の特性を 5 OmTの磁場中で 1 Vの入力電圧を加えて評価した。 その結果を 表 1に示す。
【表 1】
Figure imgf000010_0001
設計 Bで、 素子抵抗も 300 Ω以上と大きく、 感度も 6 OmV以上と低消費 電力で、 かつ、 高感度なホール素子が形成できることが確認された。 設計によ つては、 より高感度にもできるが、 その場合は、 抵抗が小さくなり (設計 A)、 よ り高抵抗にもできるが、 その場合は、 感度が悪くなる (設計 C)が、 材料のシート キャリア濃度が 1. 7E 12/cm2と良好であるため、 設計の自由度が大きく 高感度、 かつ、 高抵抗の素子設計が可能である。
[比較例 2]
次に、 比較例 1で形成した I n S b膜上に、 フォトリソグラフィ一法を用い て、 実施例 2と同様にホール素子を形成して特性評価を行った。 その結果を表 2に示す。 【表 2】
Figure imgf000011_0001
設計 Aで、 ほぼ、 実施例 2の設計 Bと同じ素子抵抗を示しているが、 その際 の感度は、 3 3mVであり、 実施例 2の 6 2mVの約 5 0 %しか得られないこ とが確認された。 感度と抵抗はトレ一ドオフであるため、 3 3mVより、 さら に感度をあげる設計にすることは可能ではあるが、 その場合、 素子抵抗がさら に小さくなつてしまうため、 実施例と比べて、 高感度で高抵抗の素子形成が不 可能である。 この原因は、 材料のシ一トキャリァ濃度が 3. 1 XE 1 2/ cm2 と大きいため、 設計の自由度がないためである。
[実施例 3]
直径 2インチの （1 1 1) S i基板上に分子線エピタキシー （MBE) 法に より、 第一化合物半導体層として 7 0 0 nmの GaA s、 第二化合物半導体層 として 0. 7 mの I n S bを順次形成した。 I n S bの成膜の際に、 2段階 成長をおこなった。
第一化合物半導体層、及び、第二化合物半導体層の (1 1 1) 面が基板の表面 に平行である事は X線回折法で確認した。単結晶であることは、 I n S bの（ 2 2 0) 面の測定を行う事により確認した。 その結果を図 3に示す。 1 2 0度お きに、 3本のピークが得られており、単結晶膜となっていることが確認できた。 電気特性は V a n d e r P a uw法を用いて測定した。 その結果、 シー トキャリア濃度が、 1. 0 E 1 2Zcm2で、 電子移動度も 4800 0 cm2/ V sの良好な特性がれられた。
次に、 上記第二化合物半導体上に、 フォトリソグラフィ一法を用いて、 図 2 と同様な磁気センサであるホール素子を形成し、ホール素子特性を測定した。 な お、 電極は、真空蒸着法により T i層 1 0 0 nm、 Au層 6 0 0 nmを連続蒸着 して用いた。 ホール素子のチップサイズは 3 6 0 mX 3 6 0 mであり、 3 種類の設計の異なる構造を同時に形成し、各設計構造の素子の特性を 5 OmT の磁場中で 1 Vの入力電圧を加えて評価した。 結果を下表に示す。
設計 Bで、 素子抵抗も 3 0 0 Ω以上と大きく、 感度も 8 OmVと低消費電力 で、 かつ、 高感度な素子が形成できる事が確認された。 設計で、より高感度にも できるが、その場合は、抵抗が小さくなり (設計 A)、 より、 高抵抗にもできるが、 その場合は、感度が悪くなる (設計 C)が、 材料のシ一トキャリァ濃度が 1. 0 E 1 2/c m2と良好であるため、設計の自由度が大きく高感度、かつ、高抵抗の素 子設計が可能である。
【表 3】
Figure imgf000012_0002
産業上の利用可能性
(1 1 1) 面が基板表面に平行な S i基板上に、 Ga、 Aし I n、 A s、 S b、 Pのうち少なくとも 2種以上の元素から構成された第一化合物半導体層 が設けられ、 さらに、 この第一化合物半導体層上に、 I
Figure imgf000012_0001
A S yS bi 一 y (0<χ≤ 1. 0、 0≤y≤ l . 0) からなる第二化合物半導体層が設けら れる。 このため、第一化合物半導体層及び第二化合物半導体の （1 1 1)面が、 基板表面に平行となり、 電子移動度が高く、 シ一ト抵抗が比較的大きな I n S bや I nA s膜を S i基板上に形成することを可能になる。 その結果として、 GaAs基板と比べて、 安価で汎用性が高く、 かつ、 環境に優しい S i基板を 用いて、 高感度で低消費電力の優れた素子を工業的に提供することが可能にな る。

Claims

請 求 の 範 囲
1. (I l l) 面が基板表面に平行な S i基板上に設けられ、 Ga、 A l、 I n、 As、 Sb、 Pのうち少なくとも 2種以上の元素から構成された第一化 合物半導体層と、 該第一化合物半導体層上に設けられ、 I nxGa i— xAsySb x-y (0<χ≤1. 0、 0≤y≤l. 0) からなり、 機能層として動作する第二 化合物半導体層と、 該第二化合物半導体層の面内方向に電流が流れるように、 該第二化合物半導体層の両端側に設けられた電極とを備えたことを特徴とする 半導体センサ。
2. 前記第一化合物半導体層及び第二化合物半導体層の （111) 面が、 前 記基板表面に平行であることを特徴とする請求項 1に記載の半導体センサ。
3. 前記第一化合物半導体層が A — zGazAs (0≤z≤ 1) であること を特徴とする請求項 1に記載の半導体センサ。
4. 前記第二化合物半導体層が I n x G a n A s y S b y ( 0. 5≤x≤ 1. 0、 0≤y≤ 1. 0)であることを特徴とする請求項 1に記載の半導体センサ。
5. 前記第二化合物半導体層が I n A s y S b y (0≤y≤ 1) であることを 特徴とする請求項 4に記載の半導体センサ。
6. 前記第二化合物半導体層の厚さが、 0. 15 m以上、 2 m以下であ ることを特徴とする請求項 1に記載の半導体センサ。
7. 前記第二化合物半導体層に不純物がド一プされていることを特徴とする 請求項 1に記載の半導体センサ。
8. 前記不純物は S iまたは Snであることを特徴とする請求項 6に記載の 半導体センサ。
9. 前記第二化合物半導体層は、 前記電極との接触部以外がパッシベ一ショ ン膜で覆われていることを特徴とする請求項 1に記載の半導体センサ。
10. 前記第二化合物半導体層が感磁層であり、 磁束密度を検出するセンサ であることを特徴とする請求項 1に記載の半導体センサ
11. (111) 面が基板表面に平行な S i基板上に、 Ga A l I n As Sb Pのうち少なくとも 2種以上の元素から構成された第一化合物半 導体層を形成し、 さらに、 第一化合物半導体層上に、 I nxGa1_xAsySb1 -y (0<χ≤1. 0 0≤y≤l. 0) からなる第二化合物半導体層を形成し、 該第二化合物半導体層上に複数の電極を形成することを特徴とする半導体セン ザの製造方法。
12. 前記第一化合物半導体層が A 1 zGazAs (0≤ζ≤1) であるこ とを特徴とする請求項 10に記載の半導体センサの製造方法。
13. 前記第二化合物半導体層が I n x G a x A s y S b y ( 0. 5≤x≤ 1. 0 0≤ y≤ 1. 0) であることを特徴とする請求項 10に記載の半導体 センサの製造方法。
14. 前記第二化合物半導体層が I nASySb y (0≤y≤ l) であるこ とを特徴とする請求項 13に記載の半導体センサの製造方法。
15. 前記第二化合物半導体層の厚さが、 0. 15 m以上、 2 m以下で あることを特徴とする請求項 10に記載の半導体センサの製造方法。
16. 前記第二化合物半導体層に S iまたは Sn不純物をド一プすることを 特徴とする請求項 10に記載の半導体センサの製造方法。
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