WO2020040264A1 - ホール素子 - Google Patents

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敦 ▲塚崎▼
宏平 藤原
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Definitions

  • the present invention relates to a Hall element.
  • Hall elements When a magnetic field is applied perpendicularly to a current flowing through a substance, an electromotive force is generated in a direction perpendicular to both the current and the magnetic field.
  • a non-contact type magnetic sensor that converts a magnetic field generated from an electric current or a weak magnetic field generated by geomagnetism or a living body into an electric signal using the Hall effect and outputs the electric signal is referred to as a Hall element (for example, Patent Documents 1 and 2). reference.). Hall elements have been incorporated into electronic devices such as mobile phones, notebook PCs, and digital cameras, and the demand for them has been increasing in recent years.
  • the conventional high-sensitivity Hall element is made of a material such as GaAs, InAs, or InSb, and contains toxic As and In which is a rare metal. These Hall elements detect a magnetic field by a normal Hall effect derived from Lorentz force.
  • the sensitivity index described later since it is important to mount a high mobility by controlling the crystallinity and purity of the sample, there is a limitation on a sample preparation method for satisfying them. Specifically, it is necessary to synthesize a single-crystal thin film at a high temperature on the basis of a single-crystal substrate. Further, the sensitivity and the temperature stability are in a trade-off relationship in that the temperature characteristics are deteriorated when the sensitivity of the Hall element is increased, and an IC is required to compensate for the sensitivity variation.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 analysis of thin films made of iron (Fe) and tin (Sn), which are inexpensive and easily available, and the Hall effect of Fe—Sn alloys have been studied (see Non-Patent Documents 1 and 2).
  • an abnormal Hall effect When a current flows through a magnetic body, a phenomenon in which a potential difference occurs in a direction orthogonal to both the current and the magnetization due to spontaneous magnetization is called an abnormal Hall effect.
  • Materials exhibiting a large anomalous Hall effect have been known for some time, but have the following problems: (i) low temperature stability in diluted magnetic semiconductors; (ii) ordinary crystalline metals have too low a resistance, low Hall voltage and high noise; (iii) observed in single crystals or polycrystals with large characteristic variations; (iv) The molecular beam epitaxy method or the like is used for the production of the thin film, and the production on a flexible substrate is not established by a highly versatile technique; (v) The relationship between the magnetic field and the Hall voltage is not a simple proportional relationship.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a Hall element exhibiting an abnormal Hall effect by using a substance having a new composition.
  • a Hall element is a Hall element exhibiting an anomalous Hall effect including a substrate and a thin film as a magneto-sensitive layer provided on the substrate, wherein the composition of the thin film is Fe x Sn 1 ⁇ x (0.5 ⁇ x ⁇ 0.9).
  • a Hall element is a Hall element exhibiting an anomalous Hall effect including a substrate and a thin film as a magneto-sensitive layer provided on the substrate, wherein the thin film is made of an alloy of Fe and Sn. It consists of an additional element, and the additional element is a transition metal element that modulates spin-orbit interaction or magnetism.
  • a Hall element is a Hall element exhibiting an anomalous Hall effect including a substrate and a thin film as a magneto-sensitive layer provided on the substrate, wherein the thin film is made of an alloy of Fe and Sn.
  • the additive element is a typical element that has a different number of valence electrons from Sn and modulates the carrier density.
  • a Hall element is a Hall element exhibiting an anomalous Hall effect including a substrate and a thin film as a magneto-sensitive layer provided on the substrate, wherein the thin film is made of an alloy of Fe and Sn. Consisting of an additional element, the additional element is a typical element that modulates the density of states.
  • a Hall element which is made of a nontoxic and inexpensive material, can be manufactured by a general-purpose method, can be manufactured on a flexible substrate, and has excellent properties such as temperature stability. .
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a Hall element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a thin film of the Hall element illustrated in FIG. 1.
  • 5 is a graph showing the relationship between the number of Fe chips used for sample preparation and the Fe content in Fe x Sn 1-x in Example 1.
  • On a sapphire substrate is a graph showing on a glass substrate, and the X-ray diffraction pattern of the Fe 0.60 Sn 0.40 film thickness 40nm was deposited at room temperature on each of a polyethylene naphthalate sheet substrate.
  • 9 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of an Fe x Sn 1-x film formed on a sapphire substrate at 500 ° C.
  • 5 is a graph showing the temperature dependence of the longitudinal resistivity and the rate of change ⁇ of magnetic sensitivity of a Fe 0.60 Sn 0.40 film having a thickness of 40 nm formed on various substrates.
  • 4 is a graph showing the magnetic field dependence of Hall resistance measured at various film thicknesses.
  • 4 is a graph showing the film thickness dependence of the vertical resistivity and the film thickness dependence of the ratio of the hole resistivity to the longitudinal resistivity. It is a schematic diagram explaining the experiment of the bending effect of the x-bent device which is the Hall element stuck on the surface of the semi-cylindrical jig.
  • FIG. 4 is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistance of the Hall element in a flat state and a bent state.
  • 5 is a graph showing the magnetic field dependence of the sheet resistance of a Hall element in a flat state and a bent state.
  • 4 is a table showing characteristics of an Fe—Sn alloy as a non-doped reference sample.
  • 10 is a table showing the results of an experiment in which Ta was added to an Fe—Sn alloy in Example 2.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.491 Sn 0.278 Ta 0.231.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.446 Sn 0.326 Ta 0.228.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.434 Sn 0.313 Ta 0.253.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.381 Sn 0.379 Ta 0.240.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.589 Sn 0.345 Pt 0.066.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.409 Sn 0.360 Mn 0.231.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.551 Sn 0.349 W 0.100.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.541 Sn 0.325 W 0.134.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.575 Sn 0.347 Mo 0.078.
  • Example 4 is a graph showing the composition dependency of the longitudinal resistivity, the Hall resistivity, the saturation magnetic field, and the magnetic sensitivity when the thin film is made of Fe, Sn, and Ta.
  • 10 is a table showing the results of an experiment in which In was added to an Fe—Sn alloy and an experiment in which Ge was added in Example 3.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.611 Sn 0.308 In 0.081.
  • Thin film is a graph showing the magnetic field dependence of the Hall resistivity when consisting of Fe 0.583 Sn 0.300 Ge 0.117.
  • 11 is a graph showing the relationship between the saturation magnetic field and the magnetic sensitivity for each of the ternary compound and the non-doped reference sample according to Example 2 and Example 3.
  • the Hall element 100 includes a substrate 1 and a thin film 2 provided on the substrate 1 as a magneto-sensitive layer.
  • the thin film 2 contains an alloy of Fe and Sn.
  • the material of the substrate 1 is not particularly limited, for example, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyimide, glass, sapphire (single crystalline Al 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ceramic), Examples include magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO 3 ), quartz (SiO 2 ), silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), or indium phosphide (InP).
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • polyimide glass
  • sapphire single crystalline Al 2 O 3
  • Al 2 O 3 ceramic alumina
  • Examples include magnesium oxide (MgO), strontium titanate (SrTiO 3 ), quartz (SiO 2 ), silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), or indium phosphide (InP).
  • the thin film 2 has a hole bar structure as shown in FIGS. 1 and 2, and is provided with six terminals 21 to 26.
  • the thickness of the thin film 2 is d
  • the distance between the terminals 23 and 24 is L
  • the width of the thin film 2 is W.
  • a cross-shaped four-terminal hole bar structure may be adopted.
  • Example 1 in which the thin film 2 is made of an Fe—Sn alloy
  • Example 2 and Example 3 in which the thin film 2 is made of a Fe—Sn alloy and a ternary compound of an additive element (impurity), Will be described.
  • the thin film 2 is made of an Fe x Sn 1-x alloy
  • the Fe x Sn 1-x film is produced by, for example, high frequency magnetron sputtering (RF magnetron sputtering).
  • RF magnetron sputtering high frequency magnetron sputtering
  • the Fe chip is placed on the Sn target, and the Fe content x in the Fe x Sn 1-x film is controlled by changing the number of Fe chips on the Sn target.
  • the white line scale bar corresponds to 10 mm.
  • FIG. 3 shows the relationship between the number of Fe chips and the Fe content x.
  • Sputtering as described above is an industrially versatile method, and can produce a thin film with high homogeneity and can be easily spread over a large area.
  • As a method for realizing the same Fe—Sn composition there is a method of using an alloy target having the same composition of Fe—Sn, a method of supplying Fe and Sn from different sputtering sources and adjusting the composition in the film, and the like. Any method is acceptable.
  • XRD X-ray diffraction
  • the thickness d is approximately 40 nm.
  • FIG. 4B shows that a crystalline sample can be manufactured by high-temperature film formation.
  • the measurement of the electric transport characteristics was performed using a VersaLab (Quantum Design), a physical property measurement system (Physical Property Measurement System) (Quantum Design), and a power supply measurement unit.
  • the magnetic field dependence of yx and magnetization M is shown for different x.
  • the magnetic field dependence of the magnetization M for different x.
  • the behavior of the Hall resistivity ⁇ yy is very similar to the magnetization curve, and the response of the Hall resistivity ⁇ yy is derived from the abnormal Hall effect, and the abnormal term is higher than the normal term. Indicates that it is dominant.
  • ⁇ xx is the longitudinal resistivity.
  • 5E shows the vertical resistivity ⁇ xx (triangle) and the hole resistivity ⁇ yy (square) of the amorphous Fe x Sn 1-x film.
  • ⁇ xx is the longitudinal resistivity.
  • 5E shows the vertical resistivity ⁇ xx (triangle) and the hole resistivity ⁇ yy (square
  • ⁇ yx / ⁇ xx of the crystalline film behaves similarly, but is smaller than ⁇ yy / ⁇ xx of the amorphous film.
  • FIG. 5F also includes data plots (squares) of bulk Fe 3 Sn 2 single crystals described in the following documents. Ye, L. et al. “Massive Dirac fermions in a ferromagnetic kagome metal,” Nature 555, 638-642 (2016).
  • the hole conductivity ⁇ xy of the amorphous film does not differ significantly from the hole conductivity ⁇ xy of bulk Fe 3 Sn 2 over a wide temperature range.
  • the Hall voltage Vyx at the time of constant voltage driving when detection is performed by the normal Hall effect is defined as in Expression (1).
  • mu is the mobility
  • V in is the input voltage for passing current (vertical voltage V xx shown in FIGS. 1 and 2).
  • the Hall voltage V yx is determined by the mobility ⁇ , excluding the magnetic field B and the shape factor W / L, and the sensitivity can be known from the mobility ⁇ .
  • the Hall voltage V yx is defined as in Expression (2).
  • I in represents the current (the current I shown in FIGS. 1 and 2)
  • the Hall resistivity ⁇ yx is a function of the magnetic field B. From equation (2), it is possible to know the sensitivity of the Hall element 100 by dp yx / dB and ⁇ yx / ⁇ xx.
  • each temperature stability of the mobility ⁇ and ⁇ yx / ⁇ xx is the index also seen at the same time. Since the temperature stability in this section is high, the Hall element 100 of the present embodiment has better temperature stability than a normal semiconductor Hall element.
  • the sensitivity coefficient is given as in equation (3).
  • the value of the sensitivity coefficient is about 1/3 of the sensitivity coefficient of the GaAs650 Ohm element exhibiting the standard sensitivity to 0.25 mV / mT / V, and is expected to increase by adjusting the structure and composition (Pham Nam Hai). , "Super High Sensitivity Anomalous Hall Effect Magnetic Sensor", new technology briefing.
  • the data at T 300K is shown by a thick line.
  • the extraordinary Hall effect on these three substrates is essentially equivalent, meaning that no particular substrate is required to achieve a large extraordinary Hall effect. .
  • Each of the insets of FIG. 6b shows a contour diagram of the magnetic sensitivity ⁇ with respect to the temperature T and the magnetic field B. From FIG. 6B, it can be seen that the magnetic sensitivity ⁇ is almost constant in a high magnetic field, and is hardly affected by a temperature change. This can be clearly understood from the fluctuation rate of the magnetic sensitivity ⁇ as described below.
  • the change in the longitudinal resistivity ⁇ xx with respect to the temperature T is very small on any of the substrates. This indicates that the Hall element 100 of the present embodiment is superior to a thermally activated semiconductor device.
  • FIG. 8B shows the film thickness dependency of the longitudinal resistivity ⁇ xx and ⁇ yy / ⁇ xx of the Fe 0.60 Sn 0.40 film.
  • FIGS. 9A and 9B Two types of devices (x-bent device and y-bent device) attached to the surface of a semi-cylindrical jig having a radius of 4.9 mm were prepared.
  • the x-bent device shown in FIG. 9A is attached so that the direction of the current I is parallel to the circumferential direction of the semi-cylindrical jig.
  • the y-bent device shown in FIG. 9B is attached so that the direction of the current I is parallel to the axial direction of the semi-cylindrical jig.
  • FIG. 10A shows the magnetic field dependence of the Hall resistance R yx in the Hall element in the flat state and the Hall element in the bent state (ie, the x-bent device and the y-bent device), and FIG. 10B shows the sheet of these Hall elements. 4 shows the magnetic field dependence of the resistance R seat .
  • the Hall element 100 including the thin film 2 made of a non-toxic and inexpensive alloy of Fe and Sn (Fe x Sn 1-x (0.5 ⁇ x ⁇ 0.9)) Accordingly, stability can be exhibited in a wide temperature range including room temperature, and Hall voltage detection similar to that of a conventional semiconductor can be exhibited. Further, the thin film 2 with high homogeneity can be formed on the substrate 1 by a general-purpose method such as sputtering. Further, a linear output (soft magnetic material) in a relatively wide magnetic field range (for example, within a range of ⁇ 0.6T) is possible. Further, unlike a substrate such as a GaAs single crystal substrate used in a conventional Hall element, the material of the substrate 1 is not particularly limited. Further, a flexible substrate can also be employed. Thus, the size and weight of the Hall element 100 can be reduced.
  • Example 2 it is assumed that the thin film 2 is a ternary compound composed of an Fe—Sn alloy and an additive element (impurity), and a transition in which the additive element is added for the purpose of spin-orbit interaction or modulation of magnetism.
  • an additive element impurity
  • Example 2 a thin film 2 made of a ternary compound is formed on a substrate 1 made of sapphire.
  • FIG. 11 shows the characteristics of an Fe—Sn alloy as a non-doped reference sample used for measurement or comparative verification of the impurity doping effect.
  • ⁇ yx / ⁇ xx at a magnetic field B 2 T, magnetic sensitivity d ⁇ yx / dB at a magnetic field B ⁇ 0.2 T, the carrier density, and the composition ratio.
  • the composition ratio indicates a result obtained from energy dispersive X-ray spectrometry (EDX). Note that the carrier densities of the non-doped reference samples N1 and N3 to N5 have not been analyzed.
  • EDX energy dispersive X-ray spectrometry
  • Example 2 experiments were performed in which tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), platinum (Pt), and manganese (Mn) were added to the non-doped reference sample N2 by room-temperature sputtering.
  • the addition of Ta, the addition of W, the addition of Mo, and the addition of Pt mainly aim at modulation of spin-orbit interaction, and the addition of Mn mainly aims at modulation of magnetism.
  • Example 2 it is assumed that the Fe site of the non-doped reference sample N2 is replaced with the dopant X, and the doping level indicating the addition rate is defined as X / (Fe + X).
  • FIG. 12A shows the results of an experiment in which Ta was added to the non-doped reference sample N2
  • FIG. 12B shows an experiment in which W was added, an experiment in which Mo was added, an experiment in which Pt was added, and an experiment in which Mn was added to the non-doped reference sample N2. The result of the experiment which added is shown.
  • the nine sample IDs of the dopant Ta are denoted as T1 to T9 in ascending order of the doping level.
  • the two sample IDs of the dopant W are denoted by W1 and W2 in ascending doping level
  • the sample ID of the dopant Mo is denoted by O1
  • the sample ID of the dopant Pt is denoted by P1
  • the sample ID of the dopant Mn is denoted by M1.
  • samples T1 and T3 to T6 show higher values of Hall resistivity ⁇ yx than non-doped reference sample N2, and samples T2 to T7 show magnetic sensitivities d ⁇ yx / dB. The value is higher than that of the non-doped reference sample N2.
  • samples T1 and T4 indicates a value higher than the undoped reference sample N2.
  • the samples W1, W2 and O1 have a higher magnetic sensitivity d ⁇ yx / dB than the non-doped reference sample N2.
  • both the hole resistivity ⁇ yx and the magnetic sensitivity d ⁇ yx / dB are non-doped reference samples.
  • N2 is higher than that of N2, and it can be seen that a much larger abnormal Hall effect is developed.
  • the magnetic sensitivities d ⁇ yx / dB at low magnetic fields (B ⁇ 0.2T) of the samples T5, T6, and T7 are much higher than those of the non-doped reference sample N2. high.
  • the sample T5 indicates the highest value in both of the Hall resistivity [rho yx and magnetic sensitivity dp yx / dB, is led to the magnetic sensitivity dp yx / dB, approaching twice the undoped reference sample N2 Values (29.1 ⁇ cm / T).
  • the saturation magnetic field B sat (maximum detectable magnetic field) of the samples T5, T6, and T7 is slightly lower than that of the non-doped reference sample N2 as shown in FIGS. 13B to 13D and FIG. It can be seen that it is maintained at about 4T.
  • the thickness d of all the samples T1 to T9, W1, W2, O1, P1, and M1 is in the range of 35 nm to 65 nm, which is sufficiently larger than 20 nm. .
  • the Hall resistivity ⁇ yx, ⁇ yx / ⁇ xx changes in various parameters such as a magnetic sensitivity dp yx / dB is hardly depends on the film thickness d, the improvement of characteristics in the sample of Example 2, the impurity doping It can be said that it is derived from.
  • Example 3 the thin film 2 was a ternary compound composed of an Fe—Sn alloy and an additional element (impurity), and the additional element was added for the purpose of modulating the carrier density or the state density.
  • the abnormal Hall effect in the case of a typical element will be described.
  • a thin film 2 made of a ternary compound is formed on a substrate 1 made of sapphire.
  • Example 3 experiments were performed in which indium (In) and germanium (Ge) were added to the non-doped reference sample N2 by sputtering at room temperature.
  • the conditions of the experiment are the same as in the second embodiment.
  • the addition of In having a different number of valence electrons from Sn is intended to modulate the carrier density, and the Ge addition is mainly intended to modulate the state density.
  • Example 3 it is assumed that the Sn site of the non-doped reference sample N2 is replaced with the dopant X, and the doping level indicating the addition rate is defined as X / (Sn + X).
  • FIG. 15 shows the results of an experiment in which In was added to the non-doped reference sample N2 and an experiment in which Ge was added.
  • the two sample IDs of the dopant In are denoted as I1 and I2 in ascending order of doping level, and the sample ID of the dopant Ge is denoted as G1.
  • the sample I1 shows a higher value than the non-doped reference sample N2, and for ⁇ yy / ⁇ xx , the samples I1 and I2 show higher values than the non-doped reference sample N2. Is shown. Therefore, it can be seen that the samples I1 and I2 exhibit a large abnormal Hall effect.
  • the thickness d of all the samples I1, I2 and G1 is sufficiently larger than 20 nm.
  • the Hall resistivity ⁇ yx, ⁇ yx / ⁇ xx changes in various parameters such as a magnetic sensitivity dp yx / dB is hardly depends on the film thickness d, the improvement of characteristics in the sample of Example 3, the impurity doping It can be said that it is derived from.
  • FIG. 17 shows the relationship between the saturation magnetic field B sat and the magnetic sensitivity d ⁇ yx / dB for the ternary compounds according to Examples 2 and 3 and the non-doped reference samples N1 to N5.
  • Heavy transition metal elements such as Ta and W have a strong spin-orbit interaction. By adding such a heavy transition metal element to an Fe—Sn alloy, it is possible to increase the spin-orbit interaction. it can.
  • Example 2 and Example 3 The experimental conditions for adding impurities described in Example 2 and Example 3 are merely examples, and are not limited.
  • impurities may be added by a method other than sputtering.
  • a plurality of impurities may be added.
  • a thin film may be formed on a substrate made of a material other than sapphire.
  • Sb is added as a typical element having a different number of valence electrons from Sn and modulating the carrier density, the abnormal Hall effect can be expected.

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Abstract

ホール素子（１００）は、基板（１）と、基板（１）上に設けられた感磁層としての薄膜（２）と、を備える。薄膜（２）は、組成がＦｅｘＳｎ１－ｘ（０．５≦ｘ＜０．９）の非晶質の強磁性金属からなる。ホール素子（１００）は、異常ホール効果を示すホール素子であり、薄膜（２）の面内方向に電流Ｉが流れると、薄膜（２）の自発磁化に起因して、電流Ｉに直交する方向に起電力（ホール電圧）Ｖｙｘが生じて、この起電力から外部磁場を検出する。薄膜（２）は、Ｆｅ－Ｓｎ合金と添加元素とからなる３元系化合物であってもよい。添加元素としては、スピン軌道相互作用又は磁性を変調させる遷移金属元素、価電子数がＳｎと異なりキャリア密度を変調させる典型元素、又は状態密度を変調させる典型元素が挙げられる。

Description

ホール素子
　本発明は、ホール素子に関する。
　電流が流れている物質に対して電流に垂直に磁場を印加すると、電流と磁場の双方に直交する方向に起電力が生じる現象をホール効果という。ホール効果を利用し、電流から生じる磁界、又は地磁気や生体などの発する微弱な磁界を電気信号に変換して出力する非接触型の磁気センサをホール素子という（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。ホール素子は、携帯電話、ノートＰＣ、及びデジタルカメラ等の電子機器に組み込まれており、近年その需要は高くなっている。
　しかしながら、従来の高感度のホール素子は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、又はＩｎＳｂなどの材料からなり、毒性のあるＡｓや、希少金属であるＩｎを含むことから、取扱いに注意を要した。これらのホール素子は、ローレンツ力に由来する正常ホール効果で磁界を検知する。また、後述する感度指標にあるとおり、試料の結晶性や純度の制御によって高い移動度の実装が重要であることから、それらを満たすための試料作製法に制約があった。具体的には、単結晶基板をベースにして高温での単結晶薄膜合成を要するため、高コストであり、且つフレキシブル化が困難であった。さらに、ホール素子の感度が高くなると温度特性が悪くなるという、感度と温度安定性がトレードオフの関係にあり、感度変動の補償にはＩＣが必要であった。
　一方で、安価で入手しやすい鉄（Ｆｅ）とスズ（Ｓｎ）からなる薄膜の解析や、Ｆｅ－Ｓｎ合金のホール効果が研究されている（非特許文献１及び非特許文献２参照。）。
特開２００１－１０２６５６号公報 特開平５－７４７０９号公報
E. Haftek, M. Tan, J.A. Barnard, "Microstructure and magnetic properties of ferromagnetic Fe-Sn alloy thin films," Ultramicroscopy 47 p.400-p.407 (1992). Jun Gao, Fei Wang, Xiaolong Jiang, Gang Ni, Fengming Zhang, and Youwei Du, "Giant Hall effect in FexSn100-x granular alloy films," Journal of Applied Physics 93, 1851 (2003).
　磁性体に電流が流れたとき、自発磁化に起因して、電流と磁化の双方に直交する方向に電位差が生じる現象を異常ホール効果という。大きな異常ホール効果を示す物質は従来から知られていたが、以下のような課題があった：
(i)希薄磁性半導体では、温度安定性が低い；
(ii)通常の結晶性の金属では抵抗が低すぎて、ホール電圧が小さい上にノイズも大きい；
(iii)特性ばらつきの大きな単結晶や多結晶で観測されている；
(iv)薄膜の作製に分子線エピタキシー法などが用いられており、汎用性の高い手法で、フレキシブルな基板上の作製が未確立である；
(v)磁場とホール電圧との関係が単純な比例関係ではない。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、新たな組成の物質によって異常ホール効果を示すホール素子を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態によるホール素子は、基板と、基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、薄膜の組成はＦｅｘＳｎ１－ｘ（０．５≦ｘ＜０．９）である。
　本発明の実施形態によるホール素子は、基板と、基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、薄膜は、ＦｅとＳｎの合金と添加元素とからなり、当該添加元素はスピン軌道相互作用又は磁性を変調させる遷移金属元素である。
　本発明の実施形態によるホール素子は、基板と、基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、薄膜は、ＦｅとＳｎの合金と添加元素とからなり、当該添加元素は、価電子数がＳｎと異なりキャリア密度を変調させる典型元素である。
　本発明の実施形態によるホール素子は、基板と、基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、薄膜は、ＦｅとＳｎの合金と添加元素とからなり、当該添加元素は、状態密度を変調させる典型元素である。
　本発明によれば、無毒且つ安価な材料からなり、汎用的な方法で作製可能で、フレキシブルな基板の上にも作製できる、温度安定性等の特性に優れたホール素子を提供することができる。
本発明の実施形態に係るホール素子の模式的な斜視図である。 図１に示したホール素子の薄膜の模式的な平面図である。 実施例１において、ＦｅｘＳｎ１－ｘにおける、試料作製に用いるＦｅチップの数とＦｅ含有量との関係を示すグラフである。 サファイア基板上、ガラス基板上、及びポリエチレンナフタレートシート基板上のそれぞれに室温成膜した膜厚４０ｎｍのＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。 サファイア基板上に５００℃で成膜したＦｅｘＳｎ１－ｘ膜のＸ線回折パターンをｘ＝０．５４、０．６２、及び０．７８のそれぞれについて示すグラフである。 室温成膜したＦｅｘＳｎ１－ｘ膜に対しＴ＝３００Ｋで面直方向に磁場を印加したときのホール抵抗率の磁場依存性をｘ＝０．５０、０．６０、０．７７、及び０．８７のそれぞれについて示すグラフである。 室温成膜したＦｅｘＳｎ１－ｘ膜に対しＴ＝３００Ｋで面直方向に磁場を印加したときの磁化の磁場依存性をｘ＝０．５０、０．６０、及び０．７７のそれぞれについて示すグラフである。 ５００℃で成膜したＦｅｘＳｎ１－ｘに対しＴ＝３００Ｋで面直方向に磁場を印加したときのホール抵抗率の磁場依存性をｘ＝０．５４、０．６２、及び０．７８のそれぞれについて示すグラフである。 ５００℃で成膜したＦｅｘＳｎ１－ｘ膜に対しＴ＝３００Ｋで面直方向に磁場を印加したときの磁化の磁場依存性をｘ＝０．５４、０．６２、及び０．７８のそれぞれについて示すグラフである。 室温成膜されたＦｅｘＳｎ１－ｘ膜と高温成膜されたＦｅｘＳｎ１－ｘ膜についてＢ＝２Ｔ及びＴ＝３００Ｋでのρｙｘ／ρｘｘのｘ依存性を示すグラフである。 Ｆｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜とＦｅ０．６２Ｓｎ０．３８膜についてホール伝導度の温度依存性を示すグラフである。 ポリエチレンナフタレートシート基板上、ガラス基板上、及びサファイア基板上のそれぞれに形成された膜厚４０ｎｍのＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜のホール抵抗率の磁場依存性及び温度依存性を示すグラフと、それらの磁気感度α＝ｄρｙｘ／ｄＢの磁場依存性及び温度依存性を示すグラフである。 各種基板上に形成された膜厚４０ｎｍのＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜の縦抵抗率と磁気感度の変動率Δαの温度依存性を示すグラフである。 様々な膜厚で測定されたホール抵抗の磁場依存性を示すグラフである。 縦抵抗率の膜厚依存性、及びホール抵抗率と縦抵抗率との比の膜厚依存性を示すグラフである。 半円柱治具の表面に貼り付けられたホール素子であるｘ－ｂｅｎｔデバイスの曲げ効果の実験を説明する模式図である。 半円柱治具の表面に貼り付けられたホール素子であるｙ－ｂｅｎｔデバイスの曲げ効果の実験を説明する模式図である。 フラット状態及び曲げ状態におけるホール素子のホール抵抗の磁場依存性を示すグラフである。 フラット状態及び曲げ状態におけるホール素子のシート抵抗の磁場依存性を示すグラフである。 ノンドープ参照試料としてのＦｅ－Ｓｎ合金の特性を示す表である。 実施例２において、Ｆｅ－Ｓｎ合金にＴａを添加した実験の結果を示す表である。 実施例２において、Ｆｅ－Ｓｎ合金にＷを添加した実験、Ｍｏを添加した実験、Ｐｔを添加した実験及びＭｎを添加した実験の結果を示す表である。 薄膜がＦｅ０．４９１Ｓｎ０．２７８Ｔａ０．２３１からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．４４６Ｓｎ０．３２６Ｔａ０．２２８からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．４３４Ｓｎ０．３１３Ｔａ０．２５３からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．３８１Ｓｎ０．３７９Ｔａ０．２４０からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．５８９Ｓｎ０．３４５Ｐｔ０．０６６からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．４０９Ｓｎ０．３６０Ｍｎ０．２３１からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．５５１Ｓｎ０．３４９Ｗ０．１００からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．５４１Ｓｎ０．３２５Ｗ０．１３４からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．５７５Ｓｎ０．３４７Ｍｏ０．０７８からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅとＳｎとＴａからなるときの縦抵抗率、ホール抵抗率、飽和磁場及び磁気感度の組成依存性を示すグラフである。 実施例３において、Ｆｅ－Ｓｎ合金にＩｎを添加した実験及びＧｅを添加した実験の結果を示す表である。 薄膜がＦｅ０．６１１Ｓｎ０．３０８Ｉｎ０．０８１からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 薄膜がＦｅ０．５８３Ｓｎ０．３００Ｇｅ０．１１７からなるときのホール抵抗率の磁場依存性を示すグラフである。 実施例２及び実施例３に係る３元系化合物とノンドープ参照試料の各々について、飽和磁場と磁気感度との関係を示すグラフである。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面において、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
　まず、本実施形態に係るホール素子１００の構成を説明する。
　図１に示すように、ホール素子１００は、基板１と、基板１上に設けられた感磁層としての薄膜２と、を備える。薄膜２は、ＦｅとＳｎの合金を含む。
　基板１の材料は特に限定されないが、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ガラス、サファイア（単結晶性Ａｌ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３セラミック）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、石英（ＳｉＯ２）、シリコン（Ｓｉ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、又はリン化インジウム（ＩｎＰ）を挙げることができる。
　薄膜２は、図１及び図２に示すようにホールバー構造を有し、６個の端子２１～２６が設けられている。本実施形態において、薄膜２の厚さをｄ、端子２３と２４との間の距離をＬ、薄膜２の幅をＷとする。なお、図１及び図２に示す６端子のホールバー構造の代わりに、十字型の４端子のホールバー構造を採用してもよい。
　薄膜２の面直方向に磁場Ｂを印加し、電源電圧により端子２１と２２との間に電流Ｉが流れると、図１に示すように、端子２３と２４との間において電流Ｉに平行な縦電圧Ｖｘｘ＝ＲｘｘＩが生じ、端子２３と２５との間において電流Ｉと磁場Ｂの双方に直交するホール電圧Ｖｙｘ＝ＲｙｘＩが生じる。ここで、Ｒｘｘは電流Ｉの流れと平行な方向における抵抗（縦抵抗）であり、Ｒｙｘはホール抵抗である。なお、本実施形態におけるホール効果の測定に端子２６は使用しない。
　以下では、薄膜２がＦｅ－Ｓｎ合金からなる場合の実施例１と、薄膜２がＦｅ－Ｓｎ合金と添加元素（不純物）の３元系化合物からなる場合の実施例２及び実施例３と、を説明する。
　実施例１では、薄膜２がＦｅｘＳｎ１－ｘ合金からなる場合について説明する。
　ＦｅｘＳｎ１－ｘ膜は、例えば、高周波マグネトロンスパッタリング（RF magnetron sputtering）により作製される。図３の挿入図に示すように、Ｓｎターゲット上にＦｅチップが載置され、Ｓｎターゲット上のＦｅチップの数を変えることにより、ＦｅｘＳｎ１－ｘ膜中のＦｅ含有量ｘが制御される。図３の挿入図において、白線のスケールバーは１０ｍｍに対応している。図３に、Ｆｅチップの数とＦｅ含有量ｘとの関係を示す。図３において、ｘ＝０．５０、０．６０、及び０．７５が、それぞれ、ＦｅＳｎ、Ｆｅ３Ｓｎ２、及びＦｅ３Ｓｎに対応する。上述のようなスパッタリングは、産業上汎用的な手法であり、均質性の高い薄膜を作製することができるとともに、大面積に容易に展開することができる。同様のＦｅ－Ｓｎ組成を実現できる手法として、Ｆｅ－Ｓｎの組成を合わせた合金ターゲットの使用、ＦｅとＳｎをそれぞれ別のスパッタリング源から供給して膜中の組成を合わせる手法などがあり、それらどのような手法でも構わない。
　図４Ａに、サファイア基板上、ガラス基板上、及びＰＥＮシート基板上のそれぞれに室温成膜した（成膜温度Ｔｇ＝ＲＴ）膜厚ｄ＝４０ｎｍのＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜のＸ線回折（X-ray diffraction：ＸＲＤ）パターンを示す。図４Ａにより、室温成膜した試料は非晶質状態にあり、均質性に優れていると期待される。
　図４Ｂに、ｘ＝０．５４、０．６２、及び０．７８のそれぞれについて、サファイア基板上に高温成膜した（Ｔｇ＝５００℃）ＦｅｘＳｎ１－ｘ膜のＸＲＤパターンを示す。膜厚ｄはほぼ４０ｎｍである。図４Ｂより、高温成膜によって結晶性試料も作製可能であることがわかる。
　次に、図５Ａ～図５Ｆを参照して、ＦｅｘＳｎ１－ｘ膜に対する電気輸送特性の測定から得られるホール効果について説明する。電気輸送特性の測定は、バーサラボ（VersaLab）（Quantum Design）、物理特性測定システム（Physical Property Measurement System）（Quantum Design）、及び電源測定ユニットを用いて行った。
　図５Ａ及び図５Ｂは、サファイア基板上に室温成膜した非晶質のＦｅｘＳｎ１－ｘ膜に対しＴ＝３００Ｋで面直方向に磁場Ｂを印加したときに測定されたホール抵抗率ρｙｘと磁化Ｍの磁場依存性を異なるｘに対して示している。図５Ｃ及び図５Ｄは、サファイア基板上に高温成膜した結晶質のＦｅｘＳｎ１－ｘ膜に対しＴ＝３００Ｋで面直方向に磁場Ｂを印加したときに測定されたホール抵抗率ρｙｘと磁化Ｍの磁場依存性を異なるｘに対して示している。図５Ａ～図５Ｄから明らかなように、ホール抵抗率ρｙｘの振る舞いは磁化曲線に酷似しており、ホール抵抗率ρｙｘの応答が異常ホール効果由来であり、正常項より異常項の方が支配的であることを示している。ただし、図５Ｃ及び図５Ｄより、ｘ＝０．５４の場合の高温成膜は、異常ホール効果が非常に小さい。
　図５Ｅに、室温成膜した非晶質のＦｅｘＳｎ１－ｘ膜（黒丸）と高温成膜した結晶質のＦｅｘＳｎ１－ｘ膜（白丸）についてＢ＝２Ｔ及びＴ＝３００Ｋでのρｙｘ／ρｘｘのｘ依存性を示す。ここで、ρｘｘは縦抵抗率である。また、図５Ｅの挿入図には、非晶質ＦｅｘＳｎ１－ｘ膜の縦抵抗率ρｘｘ（三角）とホール抵抗率ρｙｘ（四角）とを示す。図５Ｅの挿入図より、ホール抵抗率ρｙｘはｘ＝０．６０付近で鋭いピークをとり、縦抵抗率ρｘｘはｘに対してわずかに変化している。この結果、図５Ｅに示すように、非晶質膜のρｙｘ／ρｘｘは、０．５０≦ｘ＜０．９０で０．０２以上となり、特にｘ＝０．６０～０．７５付近で最大（約０．０５）となることがわかる。結晶膜のρｙｘ／ρｘｘも同様の振る舞いをするが、非晶質膜のρｙｘ／ρｘｘに比べて小さい。
　図５Ｆに、非晶質のＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜（黒丸）と結晶質のＦｅ０．６２Ｓｎ０．３８膜（白丸）についてホール伝導度σｘｙ＝ρｙｘ／（ρｘｘ ２＋ρｙｘ ２）の温度依存性を示す。参照用に、図５Ｆには、以下の文献に記載されたバルクＦｅ3Ｓｎ2単結晶のデータプロット（四角）も含まれている。
Ye, L. et al. “Massive Dirac fermions in a ferromagnetic kagome metal,” Nature 555, 638-642 (2018).
　図５Ｆより、結晶膜のホール伝導度σｘｙは温度Ｔにほとんど依存せず、Ｆｅ３Ｓｎ２単結晶の内因的振る舞いに類似しているが、バルクＦｅ3Ｓｎ2のホール伝導度σｘｙよりも小さいことから、高温スパッタリング（Ｔｇ＝５００℃）によりＦｅ3Ｓｎ2の結晶化が促進されて多結晶を構成していることを示唆している。これとは対照的に、非晶質膜のホール伝導度σｘｙは、広い温度範囲にわたってバルクＦｅ3Ｓｎ2のホール伝導度σｘｙと大きな違いがない。
　次に、ホール素子１００の感度について説明する。
　正常ホール効果で検知する場合の、定電圧駆動時のホール電圧Ｖｙｘは式（１）のように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、μは移動度であり、Ｖｉｎは電流を流すための入力電圧（図１及び図２に示す縦電圧Ｖｘｘ）である。このように、ホール電圧Ｖｙｘは、磁場Ｂと形状因子Ｗ／Ｌを除くと、移動度μにより決定され、移動度μから感度を知ることができる。
　一方、異常ホール効果で検知する場合、ホール電圧Ｖｙｘは式（２）のように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、Ｉｉｎは電流（図１及び図２に示す電流Ｉ）を示し、ホール抵抗率ρｙｘは、磁場Ｂの関数である。式（２）より、ｄρｙｘ／ｄＢ及びρｙｘ／ρｘｘによってホール素子１００の感度を知ることができる。
　また、通常の半導体ホール素子と異常ホール効果でのホール素子の温度安定性を比較する場合には、移動度μとρｙｘ／ρｘｘのそれぞれの温度安定性が指標になることも同時にわかる。この項の温度安定性が高いことから、本実施形態のホール素子１００は温度安定性で通常の半導体ホール素子よりも良くなる。
　感度係数は式（３）のように与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）にＶｙｘ＝ＲｙｘＩ、Ｒｙｘ＝ρｙｘ／ｄ、Ｖｉｎ＝ＲｘｘＩ、及びＲｘｘ＝ρｘｘＬ／Ｗｄを代入すると、感度係数＝（ρｙｘ／ρｘｘ）×（Ｗ／Ｌ）×（１／Ｂ）が得られる。図５Ｅよりρｙｘ／ρｘｘ＝０．０４とし、形状因子Ｗ／Ｌ＝１と仮定する。さらに、図５Ａ及び図５Ｂより、磁場Ｂの線形領域が－０．６Ｔ≦Ｂ≦０．６ＴであることからＢ＝０．６Ｔとすると、感度係数＝０．０４×１÷０．６＝０．０６６（Ｖ／Ｔ／Ｖ）＝０．０６６（ｍＶ／ｍＴ／Ｖ）となる。この感度係数の値は、標準感度を示すＧａＡｓ６５０ Ｏｈｍ素子の感度係数～０．２５ｍＶ／ｍＴ／Ｖの１／３程度の感度であり、構造や組成などの調整で増大が見込まれる（Pham Nam hai、「スーパー高感度異常ホール効果磁気センサー」、新技術説明会 参照）。
　次に、図６及び図７を参照し、各種基板上での異常ホール効果について説明する。
　図６のａに、フレキシブルＰＥＮシート基板上、ガラス基板上、及びサファイア基板上のそれぞれに形成された膜厚ｄ＝４０ｎｍのＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜のホール抵抗率ρｙｘの磁場依存性及び温度依存性を示す。ホール抵抗率ρｙｘの測定は、Ｔ＝５０Ｋ、１００Ｋ、１５０Ｋ、２００Ｋ、２５０Ｋ、３００Ｋ、３５０Ｋ、及び４００Ｋで行った。Ｔ＝３００Ｋでのデータは太線で示している。図６のａから明らかなように、これら３つの基板上での異常ホール効果は本質的に同等であり、大きな異常ホール効果を達成するために特定の基板を必要としないことを意味している。
　図６のａに示した各種基板上でのデータから磁気感度α＝ｄρｙｘ／ｄＢを計算した結果（Ｂ≧０Ｔ）を図６のｂに示す。図６のｂの各挿入図には、温度Ｔと磁場Ｂに対する磁気感度αの等高線図を示している。図６のｂより、磁気感度αは高磁場においてほぼ一定であり、また、温度変化の影響をほとんど受けていないことがわかる。このことは、以下に示すように、磁気感度αの変動率からも明確にわかる。
　図７の下のグラフに、Δα＝（α（Ｔ）－α（Ｔ＝３００Ｋ））／α（Ｔ＝３００Ｋ）で定義される、磁気感度αの温度変化（変動率）を示す。当該グラフより、いずれの基板上においても、Ｔ＝２００Ｋ～４００Ｋの実用温度域において、変動率Δαは数パーセント（±５％）以内であり、ＩＣ補償後の半導体と同等である。また、図７の上のグラフに示すように、いずれの基板上においても縦抵抗率ρｘｘの温度Ｔに対する変化が非常に小さい。これは、本実施形態のホール素子１００が、熱的に活性化される半導体デバイスに対して優位性があることを示している。
　次に、膜厚ｄの観点からホール電圧（Ｖｙｘ＝Ｉ×Ｒｙｘ＝Ｉ×ρｙｘ／ｄ）を一層高めるため、異常ホール効果の膜厚依存性について説明する。図８Ａに、膜厚ｄ＝２ｎｍ、４ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、及び４０ｎｍで測定された、Ｆｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜のＴ＝３００Ｋでのホール抵抗Ｒｙｘの磁場依存性を示す。また、図８Ｂに、このＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜の縦抵抗率ρｘｘ及びρｙｘ／ρｘｘの膜厚依存性を示す。図８Ａ及び図８Ｂより、膜厚ｄ＝４ｎｍまではρｙｘ／ρｘｘを０．０４～０．０５の間に維持することができ、大きな異常ホール効果が現れることがわかる。特に、図８Ｂに示すように、膜厚ｄが２０ｎｍ以上では、ρｙｘ／ρｘｘはほぼ一定値に維持され、膜厚依存性がほとんどなくなっていることがわかる。一方、ｄ＝２ｎｍまで薄くしてしまうと、縦抵抗率ρｘｘが急激に増加し、且つρｙｘ／ρｘｘが急激に減少している。なお、膜厚ｄ以外に幅Ｗ及び／又は長さＬを変えたホール素子を作製することで、異常ホール効果の向上を期待することができる。
　次に、ホール素子１００の曲げ測定について説明する。
　図９Ａ及び図９Ｂに示すように、半径４．９ｍｍの半円柱治具の表面に貼り付けられた２種類のデバイス（ｘ－ｂｅｎｔデバイス及びｙ－ｂｅｎｔデバイス）を用意した。ｘ－ｂｅｎｔデバイス及びｙ－ｂｅｎｔデバイスの各々は、フレキシブルＰＥＮシート基板上にｄ＝４ｎｍのＦｅ０．６０Ｓｎ０．４０膜が設けられたホール素子１００である。図９Ａに示すｘ－ｂｅｎｔデバイスは、電流Ｉの方向が半円柱治具の円周方向に平行になるように貼り付けられている。図９Ｂに示すｙ－ｂｅｎｔデバイスは、電流Ｉの方向が半円柱治具の軸方向に平行になるように貼り付けられている。
　図１０Ａに、フラット状態のホール素子と曲げ状態のホール素子（すなわち、ｘ－ｂｅｎｔデバイス及びｙ－ｂｅｎｔデバイス）におけるホール抵抗Ｒｙｘの磁場依存性を示し、図１０Ｂに、これらのホール素子のシート抵抗Ｒｓｈｅｅｔの磁場依存性を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂから明らかなように、フラット状態及び曲げ状態における異常ホール効果に顕著な違いが認められず、測定した曲率半径の範囲では、破断などのダメージが生じていないことがわかる。
　以上のように、実施例１によれば、無毒且つ安価なＦｅとＳｎの合金（ＦｅｘＳｎ１－ｘ（０．５≦ｘ＜０．９））からなる薄膜２を備えたホール素子１００によって、室温を含む広い温度範囲で安定性を示し、従来の半導体と同様のホール電圧検知を示すことができる。また、均質性の高い薄膜２を、基板１上にスパッタリングなどの汎用的な手法で作製することができる。さらに、比較的広い磁場範囲（例えば±０．６Ｔの範囲内）での線形出力（軟磁性体）が可能となる。また、従来のホール素子で用いられていたＧａＡｓ単結晶基板等の基板とは異なり、基板１の材料には特に制約がない。また、フレキシブル基板も採用することもできる。これにより、ホール素子１００の小型化及び軽量化を実現することができる。
　実施例２では、薄膜２が、Ｆｅ－Ｓｎ合金と添加元素（不純物）とからなる３元系化合物であるものとし、添加元素が、スピン軌道相互作用又は磁性の変調を目的として添加された遷移金属元素である場合の異常ホール効果について説明する。
　実施例２では、サファイアからなる基板１上に３元系化合物からなる薄膜２を形成するものとする。
　図１１に、不純物ドープ効果の測定又は比較検証に用いるノンドープ参照試料としてのＦｅ－Ｓｎ合金の特性を示す。図１１では、ノンドープ参照試料として５つのＦｅ－Ｓｎ合金のサンプルＩＤを、それぞれ、Ｎ１～Ｎ５と表記し、ノンドープ参照試料ごとに、膜厚ｄと、磁場Ｂ＝２Ｔでのホール抵抗率ρｙｘと、磁場Ｂ＝２Ｔでのρｙｘ／ρｘｘと、磁場Ｂ≦０．２Ｔでの磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢと、キャリア密度と、組成比とを測定した結果を示している。組成比は、エネルギー分散型Ｘ線分析（Energy dispersive X-ray spectrometry：ＥＤＸ）から得られた結果を表している。なお、ノンドープ参照試料Ｎ１及びＮ３～Ｎ５のキャリア密度は解析されていない。
　実施例２では、ノンドープ参照試料Ｎ２に対し、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、及びマンガン（Ｍｎ）を室温スパッタリングにより添加する実験をそれぞれ行った。Ｔａの添加、Ｗの添加、Ｍｏの添加及びＰｔの添加は、主にスピン軌道相互作用の変調を目的とし、Ｍｎの添加は、主に磁性の変調を目的としている。
　実施例２では、ノンドープ参照試料Ｎ２のＦｅサイトをドーパントＸで置換するものと仮定し、添加率を表すドープレベルをＸ／（Ｆｅ＋Ｘ）と定義する。
　図１２Ａは、ノンドープ参照試料Ｎ２にＴａを添加した実験の結果を示し、図１２Ｂは、ノンドープ参照試料Ｎ２に、Ｗを添加した実験、Ｍｏを添加した実験、Ｐｔを添加した実験、及びＭｎを添加した実験の結果を示す。図１２Ａ及び図１２Ｂでは、実験ごとに、ドーパントＸと、サンプルＩＤと、膜厚ｄと、磁場Ｂ＝２Ｔでのホール抵抗率ρｙｘと、磁場Ｂ＝２Ｔでのρｙｘ／ρｘｘと、磁場Ｂ≦０．２Ｔでの磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢと、キャリア密度と、ＥＤＸから得られた組成比と、ドープレベルとを示している。
　図１２Ａでは、ドーパントＴａの９つのサンプルＩＤを、ドープレベルの小さい順にＴ１～Ｔ９と表記している。図１２Ｂでは、ドーパントＷの２つのサンプルＩＤをドープレベルの小さい順にＷ１及びＷ２、ドーパントＭｏのサンプルＩＤをＯ１、ドーパントＰｔのサンプルＩＤをＰ１、ドーパントＭｎのサンプルＩＤをＭ１と表記している。
　なお、サンプルＴ８及びＴ９については、測定した磁場範囲においてホール抵抗率ρｙｘの磁場依存性が非線形であるため、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢ及びキャリア密度は求められていない。
　図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ及び図１３Ｄは、それぞれ、サンプルＴ４、Ｔ５、Ｔ６及びＴ７のホール抵抗率ρｙｘのＴ＝３００Ｋでの磁場依存性を示し、図１３Ｅ、図１３Ｆ、図１３Ｇ、図１３Ｈ及び図１３Ｉは、それぞれ、サンプルＰ１、Ｍ１、Ｗ１、Ｗ２及びＯ１のホール抵抗率ρｙｘのＴ＝３００Ｋでの磁場依存性を示す。
　図１４は、ノンドープ参照試料Ｎ２にＴａを添加した実験で得られたサンプルＴ１～Ｔ９と、ノンドープ参照試料Ｎ２について、磁場Ｂ＝２Ｔでの縦抵抗率ρｘｘ、磁場Ｂ＝２Ｔでのホール抵抗率ρｙｘ、飽和磁場Ｂｓａｔ、及び磁場Ｂ≦０．２Ｔでの磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢのＴ＝３００Ｋでの組成依存性（ドープレベル依存性）を示す。
　図１２Ａ及び図１４に示すように、ホール抵抗率ρｙｘについては、サンプルＴ１、Ｔ３～Ｔ６がノンドープ参照試料Ｎ２よりも高い値を示し、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢについては、サンプルＴ２～Ｔ７がノンドープ参照試料Ｎ２よりも高い値を示している。また、図１２Ａに示すように、ρｙｘ／ρｘｘについては、サンプルＴ１及びＴ４がノンドープ参照試料Ｎ２よりも高い値を示している。さらに、図１２Ｂに示すように、サンプルＷ１、Ｗ２及びＯ１は、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢがノンドープ参照試料Ｎ２よりも高い値を示している。
　図１２Ａ及び図１４に示すように、サンプルＴ３、Ｔ４、Ｔ５及びＴ６（ドープレベル＝０．２７～０．３７）では、ホール抵抗率ρｙｘと磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢの双方がノンドープ参照試料Ｎ２よりも向上しており、より一層大きな異常ホール効果が発現していることがわかる。
　サンプルＴ５、Ｔ６及びＴ７については、図１２Ａ、図１３Ｂ～図１３Ｄ及び図１４に示すように、低磁場（Ｂ≦０．２Ｔ）での磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢがノンドープ参照試料Ｎ２よりも極めて高い。とりわけ、サンプルＴ５は、ホール抵抗率ρｙｘと磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢの双方において一番高い値を示しており、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢにいたっては、ノンドープ参照試料Ｎ２の２倍に迫る値（２９．１μΩｃｍ／Ｔ）を示している。
　一方、サンプルＴ５、Ｔ６及びＴ７の飽和磁場Ｂｓａｔ（最大検出可能磁場）は、図１３Ｂ～図１３Ｄ及び図１４に示すように、ノンドープ参照試料Ｎ２よりも若干低下するものの、０．２Ｔ～０．４Ｔ程度に維持されていることがわかる。
　実施例１のＦｅ－Ｓｎ合金では、図８Ｂに示すように、膜厚ｄが２０ｎｍ以上で、ρｙｘ／ρｘｘが膜厚ｄにほとんど依存しないことが示された。実施例２では、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、全てのサンプルＴ１～Ｔ９、Ｗ１、Ｗ２、Ｏ１、Ｐ１及びＭ１の膜厚ｄが３５ｎｍ～６５ｎｍの範囲にあり、２０ｎｍよりも十分に大きい。よって、ホール抵抗率ρｙｘ、ρｙｘ／ρｘｘ、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢ等の各種パラメータの変化が、膜厚ｄにほとんど依存せず、実施例２のサンプルにおける特性の向上が、不純物ドーピングに由来していると言える。
　実施例３では、薄膜２が、Ｆｅ－Ｓｎ合金と添加元素（不純物）とからなる３元系化合物であるものとし、添加元素が、キャリア密度の変調又は状態密度の変調を目的として添加された典型元素である場合の異常ホール効果について説明する。
　実施例３においても、サファイアからなる基板１上に３元系化合物からなる薄膜２を形成するものとする。
　実施例３では、ノンドープ参照試料Ｎ２に対し、インジウム（Ｉｎ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）を室温スパッタリングにより添加する実験をそれぞれ行った。実験の条件は実施例２と同じである。Ｓｎと価電子数が異なるＩｎの添加は、キャリア密度の変調を目的とし、Ｇｅの添加は、主に状態密度の変調を目的としている。
　実施例３では、ノンドープ参照試料Ｎ２のＳｎサイトをドーパントＸで置換するものと仮定し、添加率を表すドープレベルをＸ／（Ｓｎ＋Ｘ）と定義する。
　図１５は、ノンドープ参照試料Ｎ２に、Ｉｎを添加した実験と、Ｇｅを添加した実験の結果を示す。図１５では、実験ごとに、ドーパントＸと、サンプルＩＤと、膜厚ｄと、磁場Ｂ＝２Ｔでのホール抵抗率ρｙｘと、磁場Ｂ＝２Ｔでのρｙｘ／ρｘｘと、磁場Ｂ≦０．２Ｔでの磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢと、キャリア密度と、ＥＤＸから得られた組成比と、ドープレベルとを示している。
　図１５では、ドーパントＩｎの２つのサンプルＩＤをドープレベルの小さい順にＩ１及びＩ２と表記し、ドーパントＧｅのサンプルＩＤをＧ１と表記している。
　図１６Ａ及び図１６Ｂは、それぞれ、サンプルＩ１及びＧ１のホール抵抗率ρｙｘのＴ＝３００Ｋでの磁場依存性を示す。
　図１５に示すように、ホール抵抗率ρｙｘについては、サンプルＩ１がノンドープ参照試料Ｎ２よりも高い値を示し、ρｙｘ／ρｘｘについては、サンプルＩ１及びＩ２がノンドープ参照試料Ｎ２よりも高い値を示している。よって、サンプルＩ１及びＩ２において、大きな異常ホール効果が発現していることがわかる。
　また、実施例３においても、図１５に示すように、全てのサンプルＩ１、Ｉ２及びＧ１の膜厚ｄが２０ｎｍよりも十分に大きい。よって、ホール抵抗率ρｙｘ、ρｙｘ／ρｘｘ、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢ等の各種パラメータの変化が、膜厚ｄにほとんど依存せず、実施例３のサンプルにおける特性の向上が、不純物ドーピングに由来していると言える。
　図１７に、実施例２及び実施例３に係る３元系化合物とノンドープ参照試料Ｎ１～Ｎ５について、飽和磁場Ｂｓａｔと磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢとの関係を示す。
　サンプルＴ３～Ｔ７、Ｗ１、Ｗ２及びＯ１のデータから明らかなように、ノンドープ参照試料Ｎ２にＴａ、Ｗ又はＭｏを添加することにより、低磁場領域では、磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢがノンドープ参照試料Ｎ２よりも大きく向上することがわかる。
　ノンドープ参照試料Ｎ１～Ｎ５のデータから明らかなように、Ｆｅ－Ｓｎ合金の組成を調整するだけでは、サンプルＴ３～Ｔ７、Ｗ１、Ｗ２及びＯ１の磁気感度ｄρｙｘ／ｄＢに匹敵する値を得ることができないことがわかる。
　ＴａやＷなどの重い遷移金属元素は、強いスピン軌道相互作用を有しており、Ｆｅ－Ｓｎ合金に、このような重い遷移金属元素を添加することで、スピン軌道相互作用を大きくすることができる。
　なお、実施例２及び実施例３で述べた不純物添加の実験条件は一例であって、限定されるものではない。例えば、スパッタリング以外の方法により不純物を添加してもよい。また、複数の不純物を添加してもよい。また、サファイア以外の材料からなる基板上に薄膜を形成するようにしてもよい。また、実施例３において、Ｓｎと価電子数が異なりキャリア密度を変調させる典型元素としてＳｂを添加したときも、異常ホール効果を期待することができる。
１００　　ホール素子
１　　基板
２　　薄膜
２１、２２、２３、２４、２５、２６　端子

Claims (9)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、
    　を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、
    　前記薄膜の組成がＦｅｘＳｎ１－ｘ（０．５≦ｘ＜０．９）である、ホール素子。
  2. 　前記基板は、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ガラス、サファイア、アルミナ、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、石英、シリコン、砒化ガリウム、及びリン化インジウムの何れか一つからなる、請求項１に記載のホール素子。
  3. 　温度が２００Ｋ～４００Ｋの範囲における前記基板上での磁気感度の変動が±５％以内である、請求項１又は２に記載のホール素子。
  4. 　前記薄膜の厚さは４ｎｍ～４０ｎｍである、請求項１～３の何れか１項に記載のホール素子。
  5. 　前記基板はフレキシブル基板である、請求項１～４の何れか１項に記載のホール素子。
  6. 　基板と、
    　前記基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、
    　を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、
    　前記薄膜は、ＦｅとＳｎの合金と添加元素とからなり、当該添加元素はスピン軌道相互作用又は磁性を変調させる遷移金属元素である、ホール素子。
  7. 　前記薄膜の厚さは３５ｎｍ～６５ｎｍである、請求項６に記載のホール素子。
  8. 　基板と、
    　前記基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、
    　を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、
    　前記薄膜は、ＦｅとＳｎの合金と添加元素とからなり、当該添加元素は、価電子数がＳｎと異なりキャリア密度を変調させる典型元素である、ホール素子。
  9. 　基板と、
    　前記基板上に設けられた感磁層としての薄膜と、
    　を備えた異常ホール効果を示すホール素子であって、
    　前記薄膜は、ＦｅとＳｎの合金と添加元素とからなり、当該添加元素は、状態密度を変調させる典型元素である、ホール素子。
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