(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基板の上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を有する動作層を備える磁気センサであって、
前記基板が、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかであり、
前記動作層は、結晶構造がウルツ鉱型構造であるとともにｃ軸が前記基板の表面に対して略平行である、
ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気センサであって、
前記動作層に形成される二次元電子ガス領域の二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下である、
ことを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の磁気センサであって平面視において前記動作層の互いに対向する第１の端部のそれぞれに入力電極を備えるとともに、前記第１の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第２の端部のそれぞれに出力電極を備えたものである、
ことを特徴とするホール素子。
【請求項４】
請求項３に記載のホール素子であって、
前記動作層が平面視において略十字形をなす十字形部分を有しており、前記十字形部分の互いに対向する２つの第１の先端部のそれぞれに前記入力電極を備えるとともに、前記第１の先端部と異なる２つの第２の先端部のそれぞれに前記出力電極を備える、
ことを特徴とするホール素子。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の磁気センサであって前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を備えるとともに、前記端子電極の間に複数の短絡電極を備えたものである、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
ホール素子の作製方法であって、
所定の基板の上にＧａＮ層をエピタキシャル形成するＧａＮ層形成工程と、
前記ＧａＮ層の上に、ＡｌＧａＮ層をエピタキシャル形成するＡｌＧａＮ層形成工程と、
によって、前記ＧａＮ層と前記ＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、
平面視において前記動作層の互いに対向する第１の端部のそれぞれに入力電極を形成するとともに、前記第１の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第２の端部のそれぞれに出力電極を形成する電極形成工程と、
を備え、
前記基板として、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、
前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をｃ軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、
ことを特徴とするホール素子の作製方法。
【請求項７】
請求項６に記載のホール素子の作製方法であって、
前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下となるように前記動作層を形成する、
ことを特徴とするホール素子の作製方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載のホール素子の作製方法であって、
前記動作層形成工程が、
前記動作層の一部を除去することによって前記動作層に平面視において略十字形をなす十字形部分を形成する除去工程、
をさらに備え、
前記電極形成工程においては、
前記十字形部分の互いに対向する２つの第１の先端部のそれぞれに前記入力電極を形成するとともに、前記第１の先端部と異なる２つの第２の先端部のそれぞれに前記出力電極を形成する、
ことを特徴とするホール素子の作製方法。
【請求項９】
磁気抵抗効果素子の作製方法であって、
所定の基板の上にＧａＮ層をエピタキシャル形成するＧａＮ層形成工程と、
前記ＧａＮ層の上に、ＡｌＧａＮ層をエピタキシャル形成するＡｌＧａＮ層形成工程と、
によって、前記ＧａＮ層と前記ＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、
前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を形成するとともに前記端子電極の間に複数の短絡電極を形成する電極形成工程と、
を備え、
前記基板として、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、
前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をｃ軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の作製方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子の作製方法であって、
前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下となるように前記動作層を形成する、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体にて動作層を構成した磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体材料にて動作層を構成したホール素子や磁気抵抗効果素子などの磁気センサは、使用する半導体材料のキャリア移動度が大きいほど高い感度を示すことが知られている。そのため、従来より、磁気センサの動作層には、ＩｎＳｂやＩｎＡｓといった高い電子移動度を示す化合物半導体が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。例えば、ＤＣブラシレスモータ用の磁気センサとして、ＩｎＳｂやＩｎＡｓなどの薄膜のホール効果を利用したホール素子が多量に使われている。
【０００３】
また、ワイドバンドギャップ半導体であるIII族窒化物半導体にて動作層を構成した磁気センサも公知である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。係る磁気センサは、ＩｎＳｂやＩｎＡｓを用いた磁気センサと比べると感度では劣るものの、高温下でも特性変化が生じにくいという利点がある。特に、特許文献２には、動作層がＡｌxＧ1-xＮ／ＧａＮ（０．３＜ｘ≦０．５）ヘテロ構造を有する磁気センサが、３００℃以上で良好に動作可能である旨の開示がなされている。
【０００４】
【非特許文献１】「ＩｎＳｂ単結晶薄膜の物性と磁気センサ応用」 電気学会論文誌Ｅ,123巻3号(2003)，pp.69-78
【特許文献１】特開２００３−０６０２５５号公報
【特許文献２】特開２００６−０８０３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１においても指摘されているように、ＩｎＳｂやＩｎＡｓを用いて作製した磁気センサの場合、磁束密度一定の条件の下で測定されるホール電圧に温度依存性があるために、高温下で使用することができないという欠点があることが広く知られている。
【０００６】
また、特許文献１や特許文献２に開示されているような、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有するように動作層を形成した磁気センサの場合、温度特性はＩｎＳｂやＩｎＡｓを用いたものよりも優れているものの、大きなピエゾ分極効果や自発分極効果のため、ＧａＮ層のＡｌＧａＮ層との界面近傍における２次元電子ガス濃度が必要以上に大きくなり過ぎてしまい、十分な感度が得られにくいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、温度特性が良好でかつ高感度で動作する磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、所定の基板の上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を有する動作層を備える磁気センサであって、前記基板が、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかであり、前記動作層は、結晶構造がウルツ鉱型構造であるとともにｃ軸が前記基板の表面に対して略平行である、ことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気センサであって、前記動作層に形成される二次元電子ガス領域の二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下である、ことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、ホール素子が、請求項１または請求項２に記載の磁気センサであって平面視において前記動作層の互いに対向する第１の端部のそれぞれに入力電極を備えるとともに、前記第１の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第２の端部のそれぞれに出力電極を備えたものである、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載のホール素子であって、前記動作層が平面視において略十字形をなす十字形部分を有しており、前記十字形部分の互いに対向する２つの第１の先端部のそれぞれに前記入力電極を備えるとともに、前記第１の先端部と異なる２つの第２の先端部のそれぞれに前記出力電極を備える、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項５の発明は、磁気抵抗効果素子が、請求項１または請求項２に記載の磁気センサであって前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を備えるとともに、前記端子電極の間に複数の短絡電極を備えたものである、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項６の発明は、ホール素子の作製方法であって、所定の基板の上にＧａＮ層をエピタキシャル形成するＧａＮ層形成工程と、前記ＧａＮ層の上に、ＡｌＧａＮ層をエピタキシャル形成するＡｌＧａＮ層形成工程と、によって、前記ＧａＮ層と前記ＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、平面視において前記動作層の互いに対向する第１の端部のそれぞれに入力電極を形成するとともに、前記第１の端部同士を結ぶ方向と略直交する方向において互いに対向する第２の端部のそれぞれに出力電極を形成する電極形成工程と、を備え、前記基板として、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をｃ軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、ことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項６に記載のホール素子の作製方法であって、前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下となるように前記動作層を形成する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項６または請求項７に記載のホール素子の作製方法であって、前記動作層形成工程が、前記動作層の一部を除去することによって前記動作層に平面視において略十字形をなす十字形部分を形成する除去工程、をさらに備え、前記電極形成工程においては、前記十字形部分の互いに対向する２つの第１の先端部のそれぞれに前記入力電極を形成するとともに、前記第１の先端部と異なる２つの第２の先端部のそれぞれに前記出力電極を形成する、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項９の発明は、磁気抵抗効果素子の作製方法であって、所定の基板の上にＧａＮ層をエピタキシャル形成するＧａＮ層形成工程と、前記ＧａＮ層の上に、ＡｌＧａＮ層をエピタキシャル形成するＡｌＧａＮ層形成工程と、によって、前記ＧａＮ層と前記ＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合構造を形成する動作層を積層形成する動作層形成工程と、前記動作層の表面の対向する端部のそれぞれに端子電極を形成するとともに前記端子電極の間に複数の短絡電極を形成する電極形成工程と、を備え、前記基板として、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、前記動作層形成工程においては、結晶構造がウルツ鉱型構造である前記動作層をｃ軸が前記基板の表面に対して略平行となるように形成する、ことを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の磁気抵抗効果素子の作製方法であって、前記動作層形成工程においては、二次元電子ガス領域における二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下となるように前記動作層を形成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１および請求項２の発明によれば、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極効果や自発分極効果が抑制されることにより、接合界面近傍に蓄えられる二次元電子ガスの濃度が好適に抑制されることによって、室温から高温まで略同一の高い測定感度で動作する磁気センサが実現される。
【００１６】
請求項３、請求項４、および請求項６ないし請求項８の発明によれば、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極効果や自発分極効果が抑制されることにより、接合界面近傍に蓄えられる二次元電子ガスの濃度が好適に抑制されることによって、室温において高い測定感度を有するともに、高温でも室温と同程度の測定感度で使用できるホール素子が実現される。
【００１７】
請求項５、請求項９、および請求項１０の発明によれば、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とのヘテロ接合におけるピエゾ分極効果や自発分極効果が抑制されることにより、接合界面近傍に蓄えられる二次元電子ガスの濃度が好適に抑制されることによって、室温から高温まで略同一の測定感度で動作する磁気抵抗効果素子が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
＜第１の実施の形態＞
本実施の形態においては、半導体のホール効果を利用して磁界を検出することができる磁気センサであるホール素子について説明する。
【００１９】
＜ホール素子の概要＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るホール素子１０の上面図である。図２は、図１のＡ−Ｂ断面における（略中央部を通る）ホール素子１０の断面図である。
【００２０】
ホール素子１０は、基板１の上に、動作層２と、２つの入力電極３ａ、３ｂと、２つの出力電極４ａ、４ｂとを備える。動作層２は、ホール素子１０を平面視（上面視）した場合にその中央部に十字型の形状（十字形）を有するように形成されてなる。十字形は、各ラインについて、幅が数十μｍ程度、長さが数百μｍとなるように形成するのが好適である。例えば、幅を５０μｍ、長さを２００μｍとするのがその一例である。
【００２１】
２つの入力電極３ａ、３ｂは、係る動作層２の十字形の互いに対向する２つの先端部のそれぞれに該先端部を被覆するように設けられてなり、２つの出力電極４ａ、４ｂは、動作層２の十字形の、入力電極とは異なる２つの先端部のそれぞれに該先端部を被覆するように設けられてなる。
【００２２】
係るホール素子１０をその表面から裏面に向かう垂直な磁場中においた状態で、２つの入力電極３ａ、３ｂの間に定電流を流す（定電流駆動の場合）か、あるいは定電圧を印加する（定電圧駆動の場合）と、動作層２におけるホール効果によって２つの出力電極４ａ、４ｂの間には電位差（ホール電圧）が生じる。このホール電圧を測定することで、（温度一定の条件のもとでは）これに比例する値として当該磁場の磁束密度を求めることができる。
【００２３】
図３は、ホール素子１０の形成に用いる積層構造体５の断面模式図である。積層構造体５は、基板１の上に、動作層２をエピタキシャル形成したものである。動作層２は、第１層２ａと、第２層２ｂとが積層された構造を有する。なお、基板１と第１層２ａとの間には、第１層２ａおよび第２層２ｂの結晶品質を良好なものとすることを目的として、ＡｌＮもしくはＧａＮからなる図示しないバッファ層が数十ｎｍ程度の厚みに設けられてなるのが好ましい。
【００２４】
概略的に言えば、本実施の形態に係るホール素子１０は、基板１の上に動作層２をエピタキシャル形成することで積層構造体５を得た後、図１に示すように、平面視した場合においてその中央部に十字形が残るように動作層２をフォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）の手法を用いて除去したうえで、入力電極３ａ、３ｂと、２つの出力電極４ａ、４ｂとをフォトリソグラフィープロセスとＥＢ（電子ビーム）蒸着の手法を用いて設けることによって、作製される。十字形を形成するためのエッチング深さは、例えば動作層２の厚みと同程度かそれよりもわずかに大きい程度（基板１の表面が多少エッチングされる程度）とするのが、好適な一例である。
【００２５】
基板１としては、表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、表面がａ面であるγ-ＬｉＡｌＯ2単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかが用いられる。これらの基板を用いる理由については後述する。
【００２６】
動作層２の第１層２ａは、III族窒化物の１つであるＧａＮによって構成される半導体層である。また、第２層２ｂは、同じくIII族窒化物の１つであるＡｌＧａＮによって構成される半導体層である。なお、第１層２ａは、数μｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。第２層２ｂは、数十ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。動作層２の詳細については後述する。
【００２７】
入力電極３ａ、３ｂと、出力電極４ａ、４ｂとは、いずれも、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層電極として設けるのが好適な一例である。
【００２８】
＜動作層の構成とホール素子の特性の関係＞
上述したように、動作層２においては、組成およびバンドギャップの相異なるIII族窒化物からなる第１層２ａと第２層２ｂとが積層形成されてなることから、両層の境界にはヘテロ接合界面が形成されてなる。係るヘテロ接合界面においては、両層のバンドギャップならびに電子親和力の相違によって伝導バンドの谷が生じ、これによって、第１層２ａにおける両層の積層界面から数ｎｍ程度の範囲に、電子が蓄えられた二次元電子ガス領域２ｇが形成される。すなわち、ホール素子１０の動作は、係る二次元電子ガス領域２ｇに蓄えられた二次元電子ガスがキャリアとなることで実現される。
【００２９】
ただし、動作層を半導体にて構成したホール素子を定電流駆動する場合は一般に、動作層におけるキャリア濃度が低いほど測定感度が高くなる（高いホール電圧が得られる）ことが知られている。そこで、本実施の形態に係るホール素子１０においても、良好な測定感度が得られる程度に二次元電子ガス領域２ｇにおける二次元電子ガスの濃度が抑制されるように（二次元電子ガスの濃度が大きくなりすぎないように）、動作層２が構成されてなる。
【００３０】
具体的には、動作層２を構成する第１層２ａおよび第２層２ｂがいずれも、ウルツ鉱型結晶構造を有するように、かつ、ｃ軸が基板１の表面に対して略平行に向くように形成されてなる。より詳細に言えば、基板１として上述のように表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、表面がａ面であるγ-ＬｉＡｌＯ2単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用いることで、動作層２も、その面方位がｍ面あるいはａ面であるように形成されてなる。
【００３１】
係る構成を有することで、本実施の形態に係るホール素子１０では、二次元電子ガス領域２ｇにおける二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下に抑制されてなる。その結果、ホール素子１０は、良好な測定感度を有するようになっている。
【００３２】
例えば、上述したような種々の基板１の上にそれぞれ、第１層２ａとして電子濃度が１×１０12／ｃｍ3であるＧａＮ層を２μｍの厚みに形成し、第２層２ｂとしてＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を２５ｎｍの厚みに形成し、動作層２の十字形部分を区画する際のエッチング深さを２μｍとして得たホール素子１０の場合、磁束密度が５００Ｇの磁場中で、入力電流を２ｍＡに保って定電流駆動を行うと、ホール電圧は６２〜６３ｍＶという結果が得られる。また、係るホール素子を同じく磁束密度が５００Ｇの磁場中で、室温から６００℃まで加熱しつつ、入力電流を２ｍＡに保った定電流駆動を行った場合、室温から６００℃までの温度変化率は０．００５％／℃以下という結果が得られる。
【００３３】
係る結果は、ＧａＮからなる第１層２ａと、ＡｌＧａＮからなる第２層２ｂとが積層形成されてなる動作層２を有するホール素子１０が、室温から６００℃までの温度範囲において安定した定電流駆動動作を実現することを示すものに他ならない。すなわち、本実施の形態に係るホール素子１０は、室温のみならず高温においても、定電流駆動によって室温とほぼ同じ程度の良好な測定感度で使用することができるものである。
【００３４】
＜積層構造体の形成方法＞
次に、上述のような構成を有する動作層２を実現するための積層構造体５の形成方法について説明する。積層構造体５は、ＭＯＣＶＤ法によって形成することができる。すなわち、基板１を所定の反応管内のサセプタに載置し、基板１を所定の反応温度（形成温度）に昇温した後、該反応温度を保った状態で、III族原料ガス（第１層２ａの場合はＧａ原料ガス、第２層２ｂの場合はＧａ原料ガスとＡｌ原料ガス）およびＶ族原料ガスであるＮＨ3ガスをそれぞれキャリアガスと共に所定の流量で流すことによって、それぞれウルツ鉱型構造を有する第１層２ａと第２層２ｂとを順次にエピタキシャル形成することができる。第１層２ａの形成温度は（９５０℃〜１２００℃の範囲の所定温度、例えば１０００℃とするのが好適であり、第２層２ｂの形成温度は９５０℃〜１２００℃の範囲の所定温度、例えば同じく１０００℃とするのが好適である。なお、上述のように、基板１の上にまず、４００℃〜６００℃の範囲の所定温度、例えば５００℃でＧａＮもしくはＡｌＮからなるバッファ層をあらかじめ形成したうえで、第１層２ａおよび第２層２ｂを形成するのがより好ましい。
【００３５】
なお、積層構造体５の形成は、第１層２ａ中の電子濃度の制御や、第２層２ｂの組成比の制御が可能である限りにおいて、ＭＯＣＶＤ法以外のエピタキシャル成長手法、例えばＭＢＥ、ＨＶＰＥ、ＬＰＥなどの気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法によって行う態様であってもよいし、異なった成長法を組み合わせて行う態様であってもよい。
【００３６】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、基板１として上述のように表面がｍ面もしくはａ面であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、α−ＳｉＣから選ばれる六方晶材料の単結晶基板、表面がａ面であるγ-ＬｉＡｌＯ2単結晶基板、あるいは表面がｒ面であるサファイア単結晶基板のいずれかを用い、その上に、ＧａＮからなる第１層２ａとＡｌＧａＮからなる第２層２ｂとからなる動作層を、ウルツ鉱型結晶構造を有するように、かつ、ｃ軸が基板の表面に対して略平行に向くように形成することで、室温において高い測定感度を有するともに、高温でも室温と同程度の測定感度で使用できるホール素子が実現される。
【００３７】
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態においては、半導体の磁気抵抗効果を利用して磁界を検出することができる磁気センサである磁気抵抗効果素子について説明する。
【００３８】
図４は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子２００の構成を示す断面模式図である。磁気抵抗効果素子２００は、基板２０１と、該基板２０１の上に形成された第１層２０２ａと第２層２０２ｂとからなる動作層２０２と、さらに該動作層２０２の表面に形成された２つの端子電極２０３ａ、２０３ｂと、これら２つの端子電極２０３ａ、２０３ｂの間に形成された多数の短絡電極２０４を備える。
【００３９】
係る磁気抵抗効果素子２００をその表面から裏面に向かう垂直な磁場中においた状態で、２つの端子電極２０３ａ、２０３ｂの間に生じる抵抗変化を測定することで、当該磁場の磁束密度を求めることができる。
【００４０】
基板２０１には、第１の実施の形態に係るホール素子１０の基板１と同じものを用いる。また、動作層２０２は、第１の実施の形態に係るホール素子１０の動作層２と同様に形成する。すなわち、動作層２０２を構成する第１層２０２ａおよび第２層２０２ｂをいずれも、ウルツ鉱型結晶構造を有するように、かつ、ｃ軸が基板１の表面に対して略平行に向くように形成する。
【００４１】
また、端子電極２０３ａ、２０３ｂと、短絡電極２０４は、いずれも、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層電極として設けるのが好適な一例である。これらは、フォトリソグラフィープロセスとＥＢ蒸着の手法を用いて設けることによって形成可能である。
【００４２】
動作層２０２を上述のように形成することは、すなわち、第１の実施の形態においてホール素子１０の形成に用いた積層構造体５を作製していることと同じである。従って、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子２００においても、第１の実施の形態に係るホール素子１０と同様に、動作層２０２においては第１層２０２ａと第２層２０２ｂとの間にヘテロ接合界面が形成されてなり、第２層２０２ｂの該ヘテロ接合界面の近傍には、キャリアの移動領域となる二次元電子ガス領域２０２ｇが、二次元電子ガス濃度が２×１０12／ｃｍ3以下であるように形成されてなる。
【００４３】
磁気抵抗効果素子２００の動作層２０２に求められる要件は、第１の実施の形態に係るホール素子１０の動作層２に求められる要件と同じであるので、動作層２０２が上述のようにホール素子１０の動作層２と同様の特徴を有することによって、磁気抵抗効果素子２００においては高い測定感度が実現される。
【００４４】
すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１の実施の形態に係るホール素子と同様に、高温でも良好な測定感度で使用することができるものとなっている。
【実施例】
【００４５】
（実施例１および比較例１）
実施例１として、第１の実施の形態に係るホール素子１０を作成した。具体的には、基板１の種類が異なり動作層２が同一の７種類のホール素子１０を作成した。
【００４６】
基板１として、それぞれ２インチ径の単結晶基板である、ｍ面（（１０−１０）面）ＧａＮ基板、ｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面ＺｎＯ基板、ａ面（（１１−２０）面）ＧａＮ基板、ｍ面６Ｈ−ＳｉＣ基板、ｍ面ＺｎＯ基板、ｒ面（（１０−１２）面）サファイア基板、ならびにａ面（（１００）面）の８つの基板を用意した。また、比較例１となるホール素子を作製すべく、基板１としてｃ面（（０００１面））サファイア基板を用意した。
【００４７】
それぞれの基板１について、所定のＭＯＣＶＤ装置により積層構造体５を作製した。ＭＯＣＶＤ装置においては、III族原料ガス供給系とＶ族原料ガス供給系とが個別に設けられてなり、III族原料ガスおよびＶ族原料ガスの双方をキャリアガスともども個別にサセプタ近傍まで供給できるようになっている。III族原料ガスとしてはＴＭＧおよびＴＭＡを用い、Ｖ族原料ガスとしてはＮＨ3を用いた。キャリアガスとしては、水素ガスあるいは窒素ガスの一方または両方を適宜に用いた。
【００４８】
具体的には、まず、ＭＯＣＶＤ装置内のサセプタ上にそれぞれの単結晶基板を載置し、基板温度を１１００℃として２０分間の熱処理（サーマルクリーニング）を行った後、温度を５００℃にして、ＡｌＮからなるバッファ層を３０ｎｍの厚みに形成した。
【００４９】
バッファ層の形成後、基板温度を１０５０℃として、第１層２ａとしてのＧａＮ膜を２μｍの厚みに形成し、引き続き第２層２ｂとしてのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ膜を２５ｎｍの厚みに形成した。このようにして形成された動作層２について、Ｘ線回折測定により、ｃ軸が基板１と略平行であることを確認した。
【００５０】
得られた積層構造体５について、二次元電子ガス領域２ｇの二次元電子濃度を測定したところ、本実施例に係るいずれのサンプルにおいても１×１０12／ｃｍ2程度であることが確認された。一方、比較例に係るサンプルについては、これよりも１オーダー大きい１×１０13／ｃｍ2程度の値となった。
【００５１】
次に、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とによって、幅５０μｍで長さ２００μｍの２本のラインが中央で直交したような十字形が形成されるように、積層構造体５の表面を２μｍの深さにエッチング加工した。
【００５２】
続いてフォトリソグラフィープロセスとＥＢ蒸着により、十字形の各先端部分に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる（膜厚は順に２５／７５／１５／１００ｎｍ）金属パターンを１００μｍ角の大きさに形成した後、赤外線急速加熱炉で温度８５０℃、３０秒間の合金化処理を行うことによって入力電極３ａ、３ｂ、出力電極４ａ、４ｂを形成した。以上によって、実施例１および比較例１に係るホール素子が得られた。
【００５３】
これらのホール素子に、特性評価を可能とすべく、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィープロセスとを用いて、表面に窒化シリコンのパッシベーション膜を形成後、各電極部にコンタクトホールを開け、ワイアボンディングを行った。
【００５４】
係る状態で、それぞれのホール素子について電気特性の評価を行った。具体的には、磁束密度５００Ｇａｕｓｓの磁場中で、２ｍＡの定駆動電流を印加した状態にて、ホール電圧を測定した。また、室温から６００℃まで加熱しつつ、定電流駆動動作におけるホール電圧の温度に対する変化率（温度変化率）についても評価を行った。
【００５５】
図５は、係るホール素子についての評価結果を一覧にして示す図である。図５からわかるように、実施例１に係るホール素子のいずれにおいても、室温でのホール電圧は６２〜６３ｍＶ程度であるのに対して、比較例１に係るホール素子の室温でのホール電圧は６．２ｍＶ程度に過ぎなかった。すなわち、第１の実施の形態に係るホール素子が、室温での測定感度が良好なホール素子であることが確認された。このように、二次元電子ガス領域における二次元電子濃度が小さい、実施例１に係るホール素子の方が、比較例１に係るホール素子よりも大きなホール電圧を有するという結果は、ｃ軸が基板表面と略平行となるように動作層を形成することが、測定感度の優れたホール素子を実現するうえで有効である、ということを示している。
【００５６】
また、ホール電圧の温度変化率は、実施例１および比較例１のいずれのホール素子についても０．００５％／℃以下であった。すなわち、第１の実施の形態に係るホール素子が、高温においても室温と略同一の測定感度を有するものであることが確認された。
【００５７】
（実施例２）
基板１としてｍ面のＧａＮ基板を用い、第２層２ｂとしてのＡｌＧａＮ層の組成を種々に違えるようにした他は、実施例１と同様の手順で、第１の実施の形態に係るホール素子１０を作製した。具体的には、ＡｌxＧ1-xＮのｘの値がそれぞれ０．１６、０．２０、０．２７、０．３４、０．４２という５種類のホール素子１０を作製した。
【００５８】
得られたホール素子１０について、実施例１と同様に、定電流駆動による室温でのホール電圧の測定と、６００℃の範囲までのホール電圧の温度変化率の測定を行った。
【００５９】
図６は、係るホール素子についての評価結果を、第２層２ｂの組成とともに一覧にして示す図である。図６からわかるように、実施例２に係るホール素子のいずれにおいても、室温でのホール電圧は６２〜６３ｍＶ程度であり、比較例１に係るホール素子より大きな値が得られた。
【００６０】
また、ホール電圧の温度変化率は、実施例２のいずれのホール素子についても０．００５％／℃以下であった。
【００６１】
すなわち、本実施例によって、第１の実施の形態に係るホール素子が、ＡｌＧａＮ層の組成によらず、良好な測定感度を有するものであることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施の形態に係るホール素子１０の上面図である。
【図２】図１のＡ−Ｂ断面におけるホール素子１０の断面図である。
【図３】ホール素子１０の形成に用いる積層構造体５の断面模式図である。
【図４】第２実施の形態に係る磁気抵抗効果素子２００の構成を示す断面模式図である。
【図５】実施例１および比較例１に係るホール素子についての評価結果を一覧にして示す図である。
【図６】実施例２に係るホール素子についての評価結果を、第２層２ｂの組成とともに一覧にして示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１、２０１  基板
１０  ホール素子
２、２０２  動作層
２ａ、２０２ａ  （動作層の）第１層
２ｂ、２０２ｂ  （動作層の）第２層
２ｇ、２０２ｇ  二次元電子ガス領域
３ａ、３ｂ  入力電極
４ａ、４ｂ  出力電極
５  積層構造体
２００  磁気抵抗効果素子
２０３ａ、２０３ｂ  端子電極
２０４  短絡電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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