(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場に応答する信号が動作中に発生する活性領域（１４ｅ、５３ｅ）を有する半導体センサ要素（１０、５０）を組み込む磁場センサ（１０、５０）であって、
ａ）バイアスがかけられておらず、かつ通常の動作温度のときに、少なくとも部分的に真性伝導状態であり、
ｂ）前記活性領域（１４ｅ、５３ｅ）中の真性伝導を減少するように、かつ外因性飽和状態に対応する１つのタイプだけにほとんど電荷キャリアを限定するようにバイアス可能である接合（３６、１１０）を含み、  ｃ）印加された磁場に応答して、前記活性領域（１４ｅ、５３ｅ）中で発生した信号を検出する手段を含み、前記接合が、少数キャリアを前記活性領域（５３ｅ）から抽出する抽出接合（１１０）であり、前記抽出接合（１１０）が、異なる多数キャリア型および異なるバンドギャップを有する材料の２つのセンサ領域間の接合であることを特徴とする磁場センサ。
【請求項２】
前記抽出接合（１１０）が、
ａ）前記抽出接合（１１０）を貫く電子トンネル効果を防止するように十分厚く、
ｂ）前記抽出接合（１１０）に関連する材料のひずみの緩和を回避するように十分薄いことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
ｘが０．１０〜０．５の範囲内にあるとして、前記抽出接合（１１０）が、ｎ型アンチモン化インジウム（５３）と、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂ（５４）とのヘテロ接合であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
ｘが０．１５〜０．２の範囲内にあることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
ｘが実質上０．１５であることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
４つの枝（５３ａ〜５３ｄ）が延びる中心活性領域（５３ｅ）を有する十字形ホール効果センサであって、前記枝が、連続的に配設される４つの層（６４、６６、５３、５４）であり、そのうちの２つの隣接する層が一方の多数キャリア型であり、他の隣接する２つの層が他方の多数キャリア型であり、前記抽出接合（１１０）が活性領域層（５３）と、別の異なるバンドギャップかつ異なる多数キャリア型の層（６６）との間のヘテロ接合であり、第１対の枝（１４ａ、１４ｃ）が電源に接続可能であり、第２対の枝（１４ｂ、１４ｄ）がホール電圧測定機器に接続可能であり、前記抽出接合（１１０）に、センサ基板接続によって逆バイアスがかけられることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記連続的に配設される４つの層（６４、６６、５３、５４）がｎ＋ｎｐ＿ｐ＋構造であることを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記第２対の枝の各枝（５３ｂ、５３ｄ）が、前記中心領域（５３ｅ）に隣接するすぼんだ部分を有することを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項９】
前記第２対の枝の各枝（５３ｂ、５３ｄ）が、前記第１対の枝（５３ａ、５３ｃ）の各枝の枝幅の１０％未満である、前記中心活性領域（５３ｅ）上に隣接する接触領域を有することを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
【請求項１０】
通常動作での磁場による電荷キャリア偏向にほぼ直交する方向の抽出電流に対して配置されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記活性領域がｐ型であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記活性領域が量子井戸構造（５１０／５１２／５１４）であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記量子井戸構造（５１０／５１２／５１４）に対して電荷キャリアの優勢な供給源となるように配置されたδドーピング層を含むことを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
ｎ＋−ｐ＿−量子井戸−ｐ＿−−ｐ＿＋ダイオード構造であることを特徴とする請求項１２または１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記活性領域に対して電荷キャリアの優勢な供給源となるように配置されたδドーピング層を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
ｎ＋−ｐ−ｐ＿＋−ｐ＋ダイオード構造であることを特徴とする請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
磁場を検出する方法であって、
ａ）磁場に応答する信号が動作中に発生する活性領域（１４ｅ、５３ｅ）を有する半導体センサ要素（１０、５０）を組み込む磁場センサを設けるステップであって、前記センサ要素（１０、５０）が、バイアスがかけられていないときに通常の動作温度で少なくとも部分的に真性伝導状態であり、前記活性領域（１４ｅ、５３ｅ）中の伝導に対する真性の寄与を減少するように、かつ外因性飽和状態に対応する１つのタイプだけにほとんど電荷キャリアを限定するようにバイアス可能である接合（３６、１１０）を含むステップと、
ｂ）前記センサ活性領域および前記接合（３６、１１０）にバイアスをかけて、前記活性領域中の電荷キャリアの流れと、外因性飽和状態に対応するセンサ動作と、前記活性領域（１４ｅ、５３ｅ）への磁場の印加とを実現するステップと、
ｃ）前記磁場に応答して、少なくとも部分的に前記活性領域（１４ｅ、５３ｅ）によって発生した信号を検出するステップとを含み、
前記接合が、少数キャリアを前記活性領域（５３ｅ）から抽出する抽出接合（１１０）であり、前記抽出接合（１１０）が、異なる多数キャリア型および異なるバンドギャップを有する材料の２つのセンサ領域間の接合であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記センサ活性領域にバイアスをかける前記ステップが定電圧で実施され、信号を検出する前記ステップが電圧信号を検出することを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記センサがホール効果センサであり、前記センサ活性領域にバイアスをかける前記ステップが、前記センサ活性領域に定電流を印加することを含み、信号を検出する前記ステップが、電流信号を検出することを含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は半導体材料の磁場センサに関する。
【０００２】
従来技術を考慮する前に、半導体の特性を議論する。半導体磁場センサは、電気移送効果を用いて動作し、大まかに言えば、不飽和外因性、飽和外因性、および飽和真性の３つの重要な伝導状態（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｍｅ）が存在する。これらはそれぞれ、低温、中温、および高温で発生する。不飽和外因性状態では、すべての不純物をイオン化するには不十分な熱的エネルギーしか存在せず、温度が上昇すると、より多くの不純物がイオン化されるので、キャリア濃度は温度に依存する。キャリアは、ドーパント不純物の単一の化学種、すなわちドナーまたはアクセプタから活性化される。伝導は、実質上１つのバンド中の１種類のキャリア、すなわち伝導帯中の電子または価電子帯中の正孔によるものであり、その両方によるものではない。飽和外因性状態も同様である。しかし、飽和外因性状態はより高い温度で発生する。その温度では、ほぼすべての不純物がイオン化されるが、利用可能な熱エネルギーは、かなりの数の価電子帯状態をイオン化し、電子−正孔対を生成するには十分ではない。ここで、キャリア濃度は温度からかなり独立している。
【０００３】
真性状態では、伝導は、不純物から活性化された一方のタイプのキャリアに加えて、両方のタイプのキャリア、すなわち電子−正孔対を生成する価電子帯状態の熱イオン化によるかなりの寄与を有する。伝導は、両方のバンド中の両方の種類のキャリア、すなわち伝導帯中の電子と、価電子帯の正孔による。電子−正孔対濃度が温度に依存するので、伝導率はこの状態中の温度と共に変動する。外因性状態と真性状態の間には、伝導が一部は外因性、一部は真性であり、一方の電荷キャリアが他方よりも多くなる（すなわち、多数キャリアと少数キャリア）介在遷移領域が存在する。介在遷移領域は、ドーピングに応じて、Ｇｅでの周囲温度またはその近傍である。真性伝導の開始温度は、バンドギャップとドーパント濃度に依存する。真性伝導は、周囲温度未満で発生する可能性があり、低ドーピングのナローギャップ半導体では１５０Ｋ程度で発生する可能性がある。
【０００４】
室温で飽和外因性状態を有するＳｉやＧａＡｓなどの材料は、その低移動度特性にも関わらず、磁場センサ応用例に対して好ましい。ホール効果またはホール抵抗を温度とほぼ無関係にすることが必要であるからである。十分に精製した場合に周囲温度で真性であるＧｅとの類推によって、弱くドープされたＳｉは、高抵抗率Ｉ（「真性」）領域が実際には周囲温度で外因性であるＰＩＮダイオードなどで、時に誤って真性と呼ばれることがある。現在入手可能な最も純粋なＳｉでも、周囲温度で真性となるには不純すぎる。
【０００５】
半導体材料を使用する磁場センサは、多年にわたって知られている。その磁場センサには、
（ａ）印加される磁場に応答して電気抵抗が変化する磁気抵抗センサ
（ｂ）センサ電流および磁場の強さに比例する電圧を発生することによって磁場に応答するホール効果センサが含まれる。
【０００６】
磁場Ｂ中の外因性磁気抵抗センサの電気抵抗ＲＭは、
ＲＭ＝Ｒ０（１＋μ２Ｂ２）                                        （１）
によって与えられる。上式で、μは電荷キャリア移動度であり、Ｒ０は磁場が存在しないときのセンサ抵抗である。式（１）への磁気抵抗の寄与はμ２Ｂ２Ｒ０であり、これは移動度と磁場の両方の平方根に応じて変動する。
【０００７】
従来型のホール効果センサ構成は、横方向磁場中の縦方向電流を搬送する半導体材料の長方形ブロックからなる。これにより、磁場と電流の両方に直交するホール電圧ＶＨが生成される。このように構成された外因性半導体の場合、ＶＨは、
【数１】
0004896338.tif 000002
によって与えられる。上式で、
Ｅｙ＝ホール効果電場
ｔｙ＝ＶＨを測定する半導体厚の寸法
ｎ＝電荷キャリア濃度
ｅ＝各電荷キャリアに関する電荷（電子に対しては負、正孔に対しては正）
ｊｘ＝単位断面積あたりの半導体中の電流密度
Ｂｚ＝磁場であり、
添字ｘ、ｙ、ｚは、ｘ、ｙ、ｚ座標軸を示し、これらの添字を付けたパラメータの方向を示す。
【０００８】
１つのタイプの荷電キャリアを有する外因性状態について、ホール係数ＲＨは、
【数２】
0004896338.tif 000003
と定義される。半導体が２つのタイプの荷電キャリアを有する真性状態中にある場合、状況は式（３）に示すものよりも複雑になる。
【０００９】
材料の伝導率σは、
σ＝ｎｅμｃ                                                    （４）
によって与えられる。上式で、μｃは伝導率移動度である。
【００１０】
ホール移動度とも呼ばれるキャリア移動度値μＨは、式（３）と（４）を掛けることによって得られる。すなわち、
μＨ＝σＲＨ                                                    （５）
【００１１】
伝導が外因性である場合、ホール移動度は、伝導率移動度と数値因子だけ異なる。この数値因子の大きさは、キャリアの散乱機構に依存する。しかし、ホール移動度および伝導率移動度は、同じ一般原理に従う。以下ではこれらを等しいものとして扱い、それをμと呼ぶ。伝導が真性である場合、ホール係数に関する式はより複雑になり、磁場に依存する。
【００１２】
測定を容易にするため、ホール電圧は高いことが望ましい。このことは、高電流密度を用いることによって達成することができる。高電流密度は、電力放散を制限するために低抵抗率を必要とし、したがって高キャリア移動度を必要とする。抵抗を低くし、したがって電力消費を低減するため、かつ式（１）によって述べた通り移動度の２乗に応じて変動する、磁場に対する磁気抵抗の感度を向上させるために、磁気抵抗センサが高キャリア移動度を有することがまた望ましい。ＩｎＳｂまたはＩｎＡｓなどのナローバンドギャップ半導体は、この移動度基準を最良に満たす。ＩｎＳｂは、８ｍ２Ｖ−１ｓ−１の電子移動度μｅを有する。これはＧａＡｓの、Ｓｉの電子移動度よりも良好である電子移動度０．８５ｍ２Ｖ−１ｓ−１のほぼ１０倍である。
【００１３】
ナローバンドギャップ半導体は極立った移動度特性を有するにも関わらず、ナローバンドギャップ半導体は周囲温度で真性であるために、一般にホール効果センサまたは磁気抵抗センサ用には用いられていない。これにより、ホール係数およびホール電圧が低くなり、ホール電圧およびセンサ抵抗が温度と共に変動する。このことは、磁場センサの重要な要件、すなわち磁場に対する磁場センサの応答が温度変化に対してあまり影響を受けるべきではないという要件と衝突する。真性状態の別の結果は、ホール効果が磁場に対して非線形であることである（磁気抵抗が、状態に関わらず磁場の２乗に応じて変動する）。これらの問題により、室温（２９０Ｋ）またはそれ以上で動作する磁場センサでナローバンドギャップ半導体を使用することに制限が課される。具体的には、キャリア濃度の温度依存性を低減するために（すなわちキャリアを外因性にするために）濃くドープする必要がある。このことは、そのキャリア移動度を低減し、その利点をかなり相殺するので、それを使用する目的を覆す傾向がある。
【００１４】
従来型の磁場センサは、キャリア濃度がほぼ一定であり、かつ望ましくない抵抗およびホール効果の変化をもたらさない飽和外因性状態で動作する。しかし、抵抗およびホール効果の温度依存性が、フォノン散乱の増大と電子−正孔散乱の開始とによる、温度の上昇に伴う移動度の減少から生じる。
【００１５】
シリコン技術に基づく従来技術の磁気センサは物理的に堅固であり、モータ産業の過酷な環境で広範に使用されている。このような磁気センサは、例えば低雑音が優先されるブラシレスコンパクトディスク（ＣＤ）ドライブモータで使用されている。しかし、このような磁気センサは温度依存感度の一般的問題があり、さらに、その感度はある応用例に対しては十分ではない。
【００１６】
本発明の目的は、磁場センサの代替形態を提供することである。
【００１７】
本発明は、動作時に磁場に応答する信号が発生する活性領域を有する半導体センサ要素を組み込む磁場センサであって、
（ａ）バイアスがかけられておらず、かつ通常の動作温度のときに、少なくとも部分的に真性伝導状態であり、
（ｂ）活性領域中の真性伝導を減少するように、かつ外因性飽和状態に対応する１つのタイプだけにほとんど電荷キャリアを限定するようにバイアス可能である接合を含み、
（ｃ）印加された磁場に応答して、活性領域（１４ｅ、５３ｅ）中で発生した信号を検出する手段を含むことを特徴とする磁場センサを提供する。
【００１８】
上記で示した種類のバイアス可能接合は、米国特許第５０１６０７３号によるフォトダイオードより、本質的に知られている。
【００１９】
本発明により、真性伝導のためにこれまで不適切と考えられていた高移動度材料から磁場センサを作成することができるという利点が得られる。さらに、ホール効果センサの場合、ホール効果の磁場の関数としての線型性を向上することが可能となる。これは、真性伝導を減少させること、すなわち電子と正孔を同じ数だけ除去し、伝導帯と価電子帯の両方での伝導を、一方のキャリアだけによるほぼ一方のバンドでの伝導に変更することによる結果である。実際には真性伝導は完全には除去されないが、無視できる割合まで減少する。
【００２０】
バイアス可能接合は、活性領域から少数キャリアを排除するための排他的接触とすることができ、かつ異なるドーピング濃度のアンチモン化インジウム材料間のホモ接合、またはアンチモン化インジウムとアンチモン化インジウムよりも広いバンドギャップを有する材料との間のヘテロ接合とすることができる。
【００２１】
センサは、４つの枝が延びる中心領域を有する以下のような十字形ホール効果センサとすることがでる。その十字形ホール効果センサとは、少なくとも１つの枝が、バイアスをかけたときに活性領域の少数キャリア濃度を欠乏させるために排他的接触に接続され、第１対の枝が電源に接続可能であり、第２対の枝がホール電圧測定機器に接続可能であるものである。各枝は、それぞれの排他的接触に接続することができ、第２対の各枝は、中心領域に隣接するすぼんだ部分を有することができる。
【００２２】
バイアス可能接合は、活性領域から少数キャリアを抽出するための抽出接合とすることができる。この抽出接合は、異なる多数キャリア型および異なるバンドギャップを有する材料の２つのセンサ領域間の接合とすることができ、電子トンネル効果を防止するように十分厚くすることができ、かつこの抽出接合に関連する材料のひずみの緩和を回避するように十分薄くすることができる。この抽出接合は、ｘが０．１０〜０．５、または０．１５〜０．２の範囲内、または実質上０．１５であるとして、ｎ型アンチモン化インジウムと、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂとのヘテロ接合とすることができる。
【００２３】
このセンサは、４つの枝および中心領域を有する十字形にすることができ、連続的に配設される以下のような４つの層を有することができる。その４つの層とは、そのうちの２つの隣接する層が一方の多数キャリア型であり、他の隣接する２つの層が他方の多数キャリア型であるものである。この接合は、活性領域層と、別の異なるバンドギャップかつ異なる多数キャリア型の層との間のヘテロ接合とすることができ、第１対の枝が電源に接続可能であり、第２対の枝（１４ｂ、１４ｄ）がホール電圧測定機器に接続可能であり、かつこの接合は、センサ基板接続によって逆バイアス可能な抽出接合である。この４つの連続的に配設される層は、ｎ＋ｎｐ＿ｐ＋構造とすることができ、第２対の枝は、中心領域に隣接するすぼんだ部分を有することができる。第２対の枝は、第１対の枝の各枝の枝幅の１０％未満である、中心領域に隣接する接触領域を有することができる。
【００２４】
この接合は、通常動作での磁場による電荷キャリア偏向にほぼ直交する方向の抽出電流に対して配置することができる。
【００２５】
センサ内の活性領域はｐ型とすることができ、バイアス可能抽出接合とすることができる。この活性領域は、δドーピング層の形態の電荷キャリアの優勢な供給源を備えることができる。この活性領域は、その中に伝導経路を供給する量子井戸を組み込むことができる。センサ自体は、ｎ＋−ｐ＿−量子井戸−ｐ＿−−ｐ＿＋ダイオード構造とすることができる。
【００２６】
あるいは、このセンサは、ｎ＋−ｐ−ｐ＿＋−ｐ＋ダイオード構造とすることもできる。
【００２７】
別の態様では、本発明は、磁場を検出する方法であって、
ａ）磁場に応答する信号が動作中に発生する活性領域を有する半導体センサ要素を組み込む磁場センサを設けるステップであって、センサ要素が、バイアスがかけられていないときに通常の動作温度で少なくとも部分的に真性伝導状態であり、活性領域中の伝導に対する真性の寄与を減少するようにバイアス可能で、かつ外因性飽和状態に対応する１つのタイプだけにほとんど電荷キャリアを限定する接合を含むステップと、
ｂ）センサ活性領域および接合にバイアスをかけて、活性領域中の電荷キャリアの流れと、外因性飽和状態に対応するセンサ動作と、活性領域への磁場の印加とを実現するステップと、
ｃ）磁場に応答して、少なくとも部分的に活性領域によって発生した信号を検出するステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。
【００２８】
センサ活性領域にバイアスをかけるステップは定電圧で実施することができ、信号を検出するステップは電圧信号を検出することを含む。
【００２９】
このセンサはホール効果センサとすることができ、センサ活性領域にバイアスをかけるステップは、センサ活性領域に定電流を印加することを含み、信号を検出するステップは、電流信号を検出することを含む。
【００３０】
次に、本発明をより完全に理解することができるように、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を単なる例示によって説明する。
【００３１】
図１および２を参照すると、本発明のホール効果磁場センサ１０のそれぞれ平面図および断面図が示されている。ホール効果磁場センサ１０は、ｎ型アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）の十字形層１２を組み込む。十字形層１２は、正方形の中心領域１４ｅから延びる４つの枝１４ａ〜１４ｄ（１４と総称する）を有する。枝１４ａおよび１４ｃは、枝１４ｂおよび１４ｄと直交する。枝１４の末端部は、領域１６ａ〜１６ｄ（１６と総称する）によって覆われ、領域１６はそれぞれ、ｎ＋型ＩｎＳｂ層１７ａ〜１７ｄ（１７と総称する）からなる。ｎ＋型ＩｎＳｂ層１７の上にはそれぞれ、アルミニウム（Ａｌ）電極１８ａ〜１８ｄ（１８と総称する）が置かれる。ｎ＋の上付き文字「＋」は、層１２内よりもドーピング濃度がずっと高いことを示す。
【００３２】
センサ１０は、サファイア、高抵抗率シリコン（＞５０オーム／平方）、または絶縁ＧａＡｓの絶縁基板２０を有する。図示するように、ＩｎＳｂ層１２は接着剤２２によって基板２０に取り付けられるが、別法として、半絶縁性ＧａＡｓなどの基板上に直接成長させることもできる。４つの各電極１８は、それぞれのｎ＋型ＩｎＳｂ層１７にオーミック接触し、それぞれの接続線１９に接着される。
【００３３】
図３は、ｎ型ＩｎＳｂ１２層およびｎ＋型ＩｎＳｂ層１７に関するエネルギーバンド構造図３０である。図３は、図２の部分３６ｂと３６ｄを有する層１７と１２の間の非バイアスｎｎ＋接合３６に対する伝導帯および価電子帯３２および３４を示す。
【００３４】
センサ１０は以下のように動作する。センサ１０は、下にあるｎ型層１２と共に各ｎ＋型層１７がｎｎ＋ホモ接合３６を形成する少数キャリア排除デバイスである。先に示したように、キャリア排除は、ＥｌｌｉｏｔｔとＡｓｈｌｅｙの米国特許第５０１６０７３号によるフォトダイオードに関して本質的に知られている。バイアス電圧は、対向する枝１４ａと１４ｃ上の接触１８ａと１８ｃとの間に印加され、接触１８ａが接触１８ｃに対して正となる。対向する枝１４ｂと１４ｄ上の接触１８ｂと１８ｄは、ホール電圧を測定するための電圧プローブである。ｎ＋型層１７ａは濃くドープされるので、ｎ＋型層１７ａの有する少数キャリア（正孔）濃度は無視できる。したがって、ｎ＋型層１７ａは層１２から多数キャリア（電子）を受容することができるが、少数キャリア（正孔）が欠乏していることを考えると、少数キャリアを層１２に戻すことはほぼ不可能である。したがってｎ＋ｎホモ接合１７ａ／１２または３６は排他的接触である。すなわち、層１２から層１７ａに電子（多数キャリア）は自由に流れるが、層１７ａから層１２に逆方向に流れる正孔（少数キャリア）はずっと少ない。
【００３５】
さらに、正孔は、反対側の層１７ｃと１２との間のｎ＋ｎホモ接合で層１２から除去される。その結果、接触１８ａと１８ｃの間にバイアス電圧を印加することにより、正孔が層１２から除去されるが完全には補充されないので、層１２中の少数キャリア濃度は欠乏する。この層中の多数キャリア濃度は、電荷の中性の観点から、少数キャリア濃度と同量だけ減少しなければならない。したがって電子と正孔は同数に減少し、それにより、層１２中の伝導に対する真性の寄与が減少する（外因性の寄与の減少は多数キャリアタイプだけに影響を及ぼすことになる）。排除された領域、すなわち、このようにして電荷キャリアが欠乏した領域は、ｎ＋型層１７ａと１７ｃとの間の枝１４ｂと１４ｄ中の層１２を通じて延在する。
【００３６】
Ｃｒのシード層をｎ＋型層１７上に付着し、次いでその上により厚いＡｕ層を付着することによって、Ａｌ電極１８の代わりにクロム−金（Ｃｒ−Ａｕ）電極を利用することができる。
【００３７】
先に説明した部分と同様に符号を付けた３９Ａ〜３９Ｃに示すように、各ｎ＋型ＩｎＳｂ層１７は、ｎ＿型材料の層４０で置換することができ、あるいはｎ＿層４１およびｎ＋層４２の２つの層で置換ることもできる。ここで、ｎ＿のアンダーラインは（後のｐ＿も同様）、アンダーラインを付けていない等価物、すなわちｎよりもバンドギャップが広い材料を示す。図４は、層１７をｎ＿型材料Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂの層４０で置換した結果を示すバンド構造図である。ただしｘ＝０．１５である。伝導帯および価電子帯４３および４４は、ｎ＿型層４０とｎ型ＩｎＳｂ層１２との間に形成された非バイアスｎ＿ｎヘテロ接合４６に関して示してある。
【００３８】
ｎ＿層４０のバンドギャップが広いことにより、狭いバンドギャップ材料よりも熱的に励起される電子−正孔対が少なくなるので、ｎ＿層４０はより低い少数キャリア（正孔）濃度を有する。接触１８ａと１８ｃのとの間に印加されるバイアス電圧は、ｎ＿型層４０に正孔が欠乏しているためにｎ＿型層４０から置換することができない正孔を、ｎ型層１２から除去する。同様のことが層４１および４２に当てはまる。
【００３９】
図５を参照すると、本発明の別のホール効果センサ５０が示されている。このホール効果センサ５０は、正方形の中心領域５３ｅから延びる４つの枝５３ａ〜５３ｄ（５３と総称する）を有するｎ型アンチモン化インジウムの十字形構造５２を組み込む。枝５３ａと５３ｃは、枝５３ｂと領域５３ｄと直交する。枝５３の末端部は、アルミニウム電極（図示せず）の上に取り付けられるｎ＋型ＩｎＳｂ層５４ａ〜５４ｄ（５４と総称する）によって覆われる。枝５３および中心領域５３ｅの寸法をパラメータａ、ｂ、およびｃによって示す。ただし、
ａ＝枝５３の長さ＋正方形５３ｅの辺
ｂ＝枝５３の長さ
ｃ＝ａ−ｂ＝枝５３の幅＝正方形５３ｅの辺
【００４０】
図６は、図５の平面に対して垂直な、センサ５０の層構造を示す、直線ＶＩ−ＶＩに対する断面である。図６は、原寸に比例して描いたものではない。センサ５０は、ＩｎＳｂまたはＧａＡｓの基板６２上に、厚さ２μｍのｐ＋型ＩｎＳｂ層６４を有する。層６４の上には、厚さ２０ｎｍのｐ＿＋型Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂ層６６を有する十字形構造５２が置かれる。ｘは０．１〜０．５であり、好ましくは０．１〜０．２であり、例えば０．１５である。層６６は、枝および中心５３が構成される厚さ０．５μｍのｎ型ＩｎＳｂの層５３によって覆われる。それぞれの枝５３の末端部上の電極層５４ｂおよび５４ｄは、厚さ０．３μｍのｎ＋型ＩｎＳｂである。ｎ＋型層５４、ｎ型層５３、およびｐ＿＋型層６６はそれぞれ、平面７４と７６にある、枝５３の端面に対応する２つの端面を有する。端面７４および７６は、ｐ＋型ＩｎＳｂ層６４上に製作されたフィールドインシュレータ７８に隣接する。あるいは、フィールドインシュレータの代わりにポリアミドの層を使用することもできる。Ａｌ接触層８０および８２は、それぞれｎ＋型ＩｎＳｂ領域５４と、その隣接するフィールドインシュレータ７８上に形成される。基板６２は第５接触８４を有し、第５接触８４はオーミック接触であり、アルミニウム製である。
【００４１】
図７に、バイアスが印加されていないセンサ５０のバンド構造を示す。このバンド構造は、伝導帯１０２、価電子帯１０４、およびフェルミ準位１０６を有する。ｎ＋型層５４は、第１界面１０８で、ｎ型枝５３を有する４つのｎ＋ｎホモ接合を形成する。ｎ型枝およびｎ型中心５３は、第２界面１１０で、ｐ＿＋型層６６を有するｎｐ＿ヘテロ接合を形成する。ｐ＿＋型層６６は、第３界面１１２で、ｐ＋型層６４を有するｐ＿＋−ｐ＋ヘテロ接合を形成する。
【００４２】
ｐ＿＋型層６６は、伝導帯１０２で、ｐ＋型層６４からｎ型層５３およびｎ＋層５４に電子が流れることを抑制する障壁を形成する。
【００４３】
センサ５０は以下のように動作する。半導体層６４、６６、５３、および５４は、４つのｎ＋ｎｐ＿ｐ＋ダイオード構造を形成する。これらのうち２つを図６の断面に示す。層６４、６６、および５３、ならびにｎｐ＿接合１１０は、４つのダイオードすべてに対して共通であるが、４つのダイオードは、図５に示すように別々の層５４を有する。ｎｐ＿接合１１０には、基板電極８４と表面電極８０または８２の一方との間に電圧を印加することによって逆バイアスがかけられる。このことは、ｎ型領域５３から少数キャリアを抽出するという重要な効果を有する。
【００４４】
キャリア抽出の原理は従来技術で知られており、例えば欧州特許ＥＰ第０１６７３０５号および米国特許第５０１６０７３号に記載されている。これは、少数キャリアが置換されるよりも速い速度で半導体領域から少数キャリアを除去することからなる。これは、少数キャリアがそこに拡散し、かつ少数キャリアがそこで抽出され、その領域に失われるバイアスｐｎ接合で行われる。ｎｐ接合界面１１０間のキャリア移送は、
（ａ）接合ポテンシャル障壁を乗り越えるのに十分な熱エネルギーを所有する多数キャリアの伝導電流と、
（ｂ）接合に拡散し、接合のポテンシャル降下によって接合を超えて掃引される少数キャリアの拡散電流とを含む。
【００４５】
したがって、ｎｐ＿接合界面１１０、１１２間のキャリア移送は、
（ａ）ｐ＋型領域６４からｎ型領域５３への正孔伝導電流と、
（ｂ）ｐ＋型領域６４からｎ型領域５３への電子拡散電流（これは、ｐ＋およびｐ＿中に少数電子がほとんどないので非常に小さい）と、
（ｃ）ｎ型領域５３からｐ＋型領域６４への電子伝導電流（これもやはり非常に小さい）と、
（ｄ）ｎ型領域５３からｐ＋型領域６４への正孔拡散電流とを含む。
【００４６】
以下の動作の定性的な説明では、無視できるほど小さな電子電流は無視する。
【００４７】
バイアスがない場合、各界面１０８、１１０、１１２間の伝導正孔電流、伝導電子電流、拡散正孔電流、および拡散電子電流は均衡している。すなわち、センサ５０は平衡状態にある。界面１１０のところのｎｐ＿接合に逆バイアスがかけられるように、バイアス電圧を各ダイオード構造間に印加する。その結果、界面１１０に拡散するｎ型十字形層５３中の少数キャリアは、界面１１０のポテンシャル降下によって界面１１０を横断して掃引される。同時に、このポテンシャル降下により、層６６から十字形層５３への正孔の流れが抑制される。したがって逆バイアスにより、実質上、十字形層５３からｐ＋型領域６４への電子伝導電流と、ｐ＋型領域６４から十字形層５３への正孔伝導電流のどちらも減少する。したがって正孔は、拡散によってｎ型領域５３から除去され、界面１１０での逆バイアスｎｐ＿接合のポテンシャル障壁のために、ｐ＋領域６４からの伝導で正孔を完全に置換することはできない。初めに示したように、これが少数キャリア抽出効果である。
【００４８】
ｎ＋層５４の正孔濃度は非常に小さいので、十字形ｎ型層５３は、無視できるほど小さい正孔（少数キャリア）電流をｎ＋層５４から受ける。これが少数キャリア排除効果である。その結果、界面１１０に拡散し、ｐ＿＋型層６６に抽出される層５３中の正孔をｎ＋層５４から十分に補充することができず、したがって十字形層５３中の少数キャリア濃度が減少する。初めに述べたように、電荷の中性の観点から、多数キャリア濃度は少数濃度と同程度まで減少しなければならない。すなわち、電子濃度と正孔濃度は、電子−正孔対の減少に対応して等しく減少する。したがってこれにより、十字形層５３中の伝導に対する真性の寄与が減少する。
【００４９】
センサ５０の動作の際、ｎｐ＿接合１１０には逆バイアスがかけられ、センサ１０は、対向する接触１６ａ／１６ｃ対の間を流れ、正の接触が排他的であるバイアス電流で機能する。センサ１０とセンサ５０はどちらも、平衡濃度未満の電子−正孔対を有するｎ型層１２および５３と共に動作する。これらの層は磁場測定に対する活性領域であり、ホール電圧は、接触層の対１６ｂ／１６ｄおよび５４ｂ／５４ｄ間で検出可能である。センサ１０では、キャリア濃度は、キャリア蓄積のために、負にバイアスされた接触の近くで平衡を超える。
【００５０】
図８は、センサ５０の中心正方形区間５３ｅを、ｐ＋型支持層６４および基板６２と共に示した３次元図である。枝５３を点線で示す。磁場および電流の方向の定義に用いるため、デカルト軸を１２２で示す。中心正方形区間５３ｅの表面はＸＹ平面内にあり、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ平行な辺の対を有し、かつＺ軸に対して垂直である。センサ５０を流れる電流は、矢印１２４ａおよび１２４ｂで示す、第１成分Ｉｐｌａｎｅおよび第２成分Ｉ┴を有する。第１電流成分Ｉｐｌａｎｅは、実質的にｎ型層５３内の、対向する枝５３ａと５３ｃの間をＸ軸に平行に流れる。
【００５１】
第２電流成分Ｉ┴はＺ軸に平行に流れ、ｎｐ＿接合界面１１０にバイアスをかけることで生じる。したがって厳密に言えば、第２電流成分Ｉ┴は区間５３ｅ内を流れるのではなく、枝５３上の端部層５４に流れる４つの寄与からなる。容易に参照することができるように、これらを図８に含めておく。第２電流成分Ｉ┴は、ｎ型層５３中の熱電荷キャリア生成から生じ、したがって関連する正孔の流れは、Ｚ軸に平行な方向にｐ＿＋型層６６まで本質的に一様であり、一方、電子の流れは、ｎ型十字形層５３で発生する電子に関して縦方向にｎ＋層５４まで上向きに発生するが、ｎ＋領域５４の直下では発生しない。
【００５２】
領域５４ａと５４ｃとの間に電圧を印加して、Ｘ軸に平行に流れる、電流密度ｊｘに対応するＩｐｌａｎｅを確立する。再び図６を参照すると、センサ５０が抽出電場と伝導電場の両方を受けることがわかる。抽出場は、基板電極８４と、４つの各枝の端部層５４ａ〜５４ｄとの間に印加される。伝導場は、対向する枝の第１対の端部層５４ａと５４ｃの間に印加される。抽出場により、電流成分Ｉ┴が生じる。これは、Ｚ軸に平行なダイオード漏出である。伝導場は、電流密度ｊｘを有する電流成分Ｉｐｌａｎｅを生成する。ｎｐ＿界面１１０がｐ型層６４の場の貫通に対するブロックとして働くので、電流成分Ｉｐｌａｎｅは、ほぼｎ型層５３中の電子流である。センサ５０はＺ軸に平行な磁場Ｂｚ中にあり、したがって図５の平面と直交する。電流Ｉｐｌａｎｅおよび磁場Ｂｚにより、中心領域５３ｅ中にＹ軸に平行なホール電圧が発生する。この電圧は、枝の第２対の端部層５４ｂ、５４ｄ間で測定可能である。
【００５３】
電流Ｉｐｌａｎｅは実質上ｎ型層５３に閉じ込められ、したがってホール電圧はこの層内で発生する。しかし、センサ５０内のｎ＋ｎｐ＿ｐ＋構造のキャリア抽出特性およびキャリア排除特性によって、前述のようにキャリア濃度に対する真性の寄与は減少する。伝導効果およびホール効果はほとんど、温度にほぼ無関係なキャリア濃度を有する飽和した外因性状態での外因性伝導によるものである。さらに、抽出により、電子−正孔散乱と、キャリア移動度に対するその効果とを減少させるキャリア濃度が減少し、それによって温度変化の影響を受けなくなる。
【００５４】
図９を参照すると、センサ１２８の代替形態が示されている。この代替形態は、幅ｄまですぼんで中心区間５３に隣接するホール電圧感知枝５３ｂおよび５３ｄを有することを除き、センサ５０と同様である（同様の部分は同様の参照符号を付けてある）。すぼんでいないところでは、すべての枝５３は幅ｃであり、ｄはｃ未満である。ｄはｃの１０分の１未満であることが好ましい。
【００５５】
センサ５０の動作の際には、少数キャリアが中心区間５３ｅ領域から抽出される。したがって、電流Ｉ┴を発生させるバイアス場は、枝５３ａ〜５３ｄの端部からだけではなく、中心領域５３ｅ全体のｎ型層５３からも電荷キャリアを抽出しなければならない。中心ノード５３ｅ、すなわち寸法ａを合わせた、各枝５３ａ〜５３ｄの長さは、枝５３ａ〜５３ｄと中心ノード５３ｅ全体にわたって抽出が延在することが可能となるように十分短くなければならない。しかし、ホール効果を受ける経路長は、電荷キャリアが偏向し、測定可能な信号を生成することが可能となるように十分長くなければならない。
【００５６】
センサ１０に関する制約は、中心領域１４ｅ内の電荷蓄積を回避するのに必要である。枝端部層１６ａおよび１６ｃにバイアスをかけたとき、他の枝に対して負にバイアスがかけられたところではどこでも、電荷が累積する。蓄積がキャリア排除を減少させないことを保証するために、蓄積は中心領域１４ｅから十分離れていなければならない。したがってこれにより、センサ動作条件によって決定され、以下によって与えられる上流側拡散距離Ｌｄによって制限される、各枝１４ａ〜１４ｄに対する最小の長さ（図５の寸法ｂ）が与えられる。
【数３】
0004896338.tif 000004
上式で、
Ｅ＝印加電場
ｑ＝キャリア電荷
ｋ＝ボルツマン定数
Ｔ＝センサの絶対温度
Ｉ＝零場キャリア拡散距離である。
【００５７】
零場キャリア拡散距離ｌは、
【数４】
0004896338.tif 000005
によって与えられる。上式で、
Ｄ＝電荷キャリア拡散係数
τ＝電荷キャリア平均寿命である。
【００５８】
センサ５０では、ホール電流Ｉｐｌａｎｅは、ダイオード漏れ電流Ｉ┴の影響を受ける。この影響を低減するために、ＩｐｌａｎｅはＩ┴よりもずっと大きいことが好ましい。しかし、Ｉ┴はセンサ５０のｎ＋ｎｐ＿ｐ＋構造の両端間のバイアス電圧Ｖｂｉａｓに依存し、かつＶｂｉａｓは、効果的な抽出を保証するために十分大きくなければならない。あるいは、センサ５０が許容することができる出力密度によって設定される制限内で、Ｉｐｌａｎｅを可能な限り大きく作成することもできる。これは、Ｉｐｌａｎｅが流れる断面積が小さいことを暗示し、ｎ層の高さｔｚおよび幅ｃを縮小することによって達成可能である。ｎ型層５３の最小高は、ｎ型層５３がサポートしなければならない空乏領域の幅によって決定される。これは、ドーピングレベルおよびバイアス電圧の大きさと共に変動する。したがって、ドーピングレベルおよびバイアス強度が与えられた場合、唯一残っている変数パラメータは、十字形構造５３の辺の幅ｃである。ｃの適切な値は後で論じる。
【００５９】
同様の見解がセンサ１０に当てはまる。センサ１０の場合、十分なキャリア排除を保証するためにバイアス電圧を十分大きくする必要がある。
【００６０】
図１０、１１、および１２にグラフで示すように、センサ１０および５０は、従来技術の平衡デバイスと比べて性能が改善されていることを示している。これらの図面は、ドナー不純物濃度１０１６ｃｍ−３のｎ型ＩｎＳｂ層５３に関する計算に基づいている。これらは、ホール効果に対する電子と正孔の寄与をどちらも含み、したがって、初めに与えた近似よりも複雑である。センサ１０および５０中のキャリア濃度、したがってホール係数は、全体として温度に無関係ではないが、その変動は、いくつかの応用例に関して十分小さい（５０Ｋにわたって〜３０から４０％の変化）。後に述べる例では、これが改良される。
【００６１】
複数のバンドからのキャリア、すなわち電子と正孔の両方が伝導率に寄与するセンサでは、ホール電圧に関する式はより複雑であり、磁場に依存する。例えば、標準的な教科書「Ｔｈｅ  Ｈａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔ  ａｎｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」、Ｅ  Ｈ  Ｐｕｔｌｅｙ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｂｙ  Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ  ａｎｄ  Ｃｏ．、１９６０、第４章を参照されたい。磁場依存性は、シリコンよりも高い移動度を有する材料でより顕著である。
【００６２】
式（２）および（３）より、電流密度
【数５】
0004896338.tif 000006
を置換する。ただし、
ｔｚ＝磁場に平行なセンサ厚の寸法
Ｉｘ＝ホール場および磁場に直交する縦方向センサ電流であり、
他のパラメータは、初めに定義したものとすると、
【数６】
0004896338.tif 000007
【００６３】
図１０に、異なる散乱機構および動作条件ごとに、ｎ型ＩｎＳｂについて、温度に対して電子移動度μｅをプロットした４つの曲線１３２〜１３８を示す。この図は、電子と正孔の両方が伝導に寄与するときの、ナローギャップ半導体に対するホール係数ＲＨの温度感度を示す。第１曲線１３２は、イオン化された不純物および電子−正孔相互作用による散乱だけに影響を受ける移動度に対応する。第２曲線１３４は、光学フォノン散乱だけに影響を受ける移動度の成分の温度変動を示す。第３曲線１３６は、第１曲線１３２および第２曲線１３４を生じさせる寄与の和から生じるキャリア移動度を示す。これらの３つの曲線１３２、１３４、および１３６は、平衡キャリア濃度に基づいて生成した。第４曲線１３８は、伝導に対する真性の寄与を抽出したときの、温度Ｔに伴う移動度μｅの変動である。
【００６４】
曲線１３６と１３８とを比較することにより、本発明によるセンサに対する有利なキャリア抽出の効果が示される。抽出は、約２５０Ｋより上の温度で移動度が増大するからである。平衡曲線１３６と抽出曲線１３８との差は、高温になると顕著になり、ホール係数および磁気抵抗が大きくなる。これらの２つの曲線の勾配を比較することにより、温度Ｔに伴う移動度の変化も抽出によってわずかに減少することがわかる。これにより、ホール係数および磁気抵抗の温度依存性が減少する。
【００６５】
図１１に、それぞれ平衡条件と抽出条件の下で、０．３Ｔの磁場中のＩｎＳｂ半導体に関するホール係数ＲＨを温度に対してプロットした２つの曲線１４２および１４４を示す。平衡曲線１４２において、ＲＨは、１５０Ｋから５００Ｋまでの間に大きさが２桁近く減少する。第２曲線１４４は、本発明による少数キャリア抽出を受けるセンサ５０に関するＲＨの温度変化である。ここで、ＲＨは同じ区間でほぼ温度に無関係であり、温度不感度に関して本発明のセンサが優れていることを示している。
【００６６】
図１２に、様々な温度条件の下で、平衡ＩｎＳｂと抽出ＩｎＳｂの両方に関するＲＨを印加磁場に対してプロットした、４つの曲線１５２、１５４、１５６、および１５８を示す。この図は、電子と正孔の両方が伝導に寄与するときの真性状態内のナローギャップ半導体に関するＲＨの磁場感度を示す。曲線１５２は、本発明の抽出センサに関するものであり、ＲＨが少なくとも実質上磁場に無関係であることを示している。曲線１５４は２００Ｋで平衡状態にあるセンサに関するものであり、ＲＨが場の減少にほとんど依存しないことを示している（０．１Ｔ〜１．５Ｔの間で〜３％）。曲線１５６および１５８は、それぞれ３００Ｋおよび４００Ｋで平衡状態にあるセンサに関するものである。これらの曲線は、ＲＨの符号が反転し、０．１Ｔ〜１．５Ｔの間で、一方は＋２００ｃｍ３／Ｃから−１０ｃｍ３／Ｃまで降下し、他方は＋３００ｃｍ３／Ｃから−５０ｃｍ３／Ｃまで降下することを示している。このことは、磁場効果に関して本発明のセンサが優れていることを示している。
【００６７】
動作に影響を及ぼす本発明のセンサのパラメータは以下の通りである。
（ａ）センサ動作温度範囲：センサ電流密度は動作温度（例えば３７０Ｋ）と共に増加し、界面１１０の障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを有する電荷キャリアを発生する可能性がある。
（ｂ）Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂ障壁層６６の組成：以下の表１に、障壁材料（ｘ値）およびドナー濃度Ｎｄの範囲に対する漏れ電流密度を、センサ動作温度の関数として示す。
（ｃ）電流：ダイオード漏れ電流Ｉ┴は、ホール電流Ｉｐｌａｎｅの１％であることが好ましいが、受け入れられるセンサ測定精度は、Ｉ┴〜１０％Ｉｐｌａｎｅで得ることができる。
（ｄ）ｎ型層５３のドーピング濃度：これは最大電流を制限する。
（ｅ）出力密度：これは、熱暴走を回避するために、層５３内で持続可能なレベル、例えば約１００Ｗｃｍ−２に制限しなければならない。センサ５０の場合、出力密度Ｐｄは、
【数７】
0004896338.tif 000008
によって与えられる。上式で、
Ｉｐｌａｎｅ＝層５３の平面内に流れる電流
ｅ＝キャリア電荷
ｎ＝キャリア濃度
μ＝層５３内のキャリア移動度
ｌ＝センサ電流路長
ｔＺ＝層５３の厚さ
（ｆ）印加電圧：ホール電圧ＶＨに加えて、他の２つの電圧がセンサ５０に関連する。基板電極８４と、枝電極８０または８２との間の電圧Ｖｂｉａｓ（例えば０．５Ｖ）により、ｎｐ＿接合１１０に逆バイアスがかけられる。対向する枝５３ａと５３ｃの間の電圧Ｖｄｒｉｖｅは、電流Ｉｐｌａｎｅを駆動する。電圧Ｖｂｉａｓは、熱生成された電荷キャリアをｎ型領域から抽出し、これは、抽出ｐｎ接合の空乏層の厚さに影響を与える。
（ｇ）ｎ型層５３の厚さｔｚは、ｐｎ空乏層をサポートするのに十分であるべきである。ドーピングが１０１６ｃｍ−３およびＶｂｉａｓが１Ｖの場合、厚さｔｚは０．５μｍであることが好ましい。
（ｈ）ｐ＿＋型層６６の厚さは２０ｎｍであることが好ましい。この層により、電子トンネル効果を防止するのに十分な約１０ｎｍ以上の厚さの障壁が得られる。さらにこの障壁は、この障壁と隣接するＩｎＳｂ層との間のひずみを保持するのに十分なだけ薄い（＜３０ｎｍ）。
【００６８】
表１、２、および３に現れる適切なデバイスパラメータを得るために、センサ５０に関する理論モデルを使用した。
【００６９】
表１に、様々な異なるドーピングレベルＮｄと、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂに関する組成パラメータｘとに対して、漏れ電流密度ｊ┴を絶対温度Ｔの関数として列挙する。
【表１】
0004896338.tif 000009
【００７０】
表１中のｘおよびＮｄに関する値に対して、動作温度を３７０Ｋにし、漏れ電流と面内電流との比Ｉ┴／Ｉｐｌａｎｅを０．９％〜１．１％に制限した場合の他のセンサパラメータを表２に示す。
【表２】
0004896338.tif 000010
【００７１】
表３中の値は、Ｉ┴／Ｉｐｌａｎｅが１０％〜１２％の範囲に増加したことを除き、表２の値と対応している。センサ１０および５０は、１％〜１０％の範囲のＩ┴／Ｉｐｌａｎｅを有することができる。
【表３】
0004896338.tif 000011
【００７２】
表１は、より高い動作温度Ｔで妥当なレベルに漏れ電流密度ｊ┴を維持することが困難であることを示している。障壁層６６の組成パラメータｘが増加すると、一定の比Ｉ┴／Ｉｐｌａｎｅを維持するのに必要な漏れ電流密度ｊ┴および駆動電流が減少する。障壁層６６の組成パラメータｘの増加により、センサ出力放散も減少する。例えばｘの組成を０．１５から０．２５に変更することにより、より大きな電流密度をサポートすることが可能となり、Ｎｄ＝１０１５ｃｍ−３に対する漏れ電流密度５５Ａｍｐ／ｃｍ２が、動作温度３７０Ｋではなく、約２００Ｋに対応することを意味する。
【００７３】
表２は、不純物濃度１０１５ｃｍ−３を用いたとき、出力密度Ｐｄが信頼性のあるセンサ動作に対して妥当な状態のままとなる条件を見つけることが、障壁の組成を大きくしても困難であることを示している。一方、不純物濃度を約１０１５ｃｍ−３から約１０１７ｃｍ−３に増加することによって、キャリア移動度が約３分の１に減少する。さらに、ｎ型領域をｐ＿型領域に非常に接近させることによって、キャリアトンネル効果がｊ┴に寄与する。したがって表２は、最適なドーピング濃度が約１０１６ｃｍ−３であり、センサ電流路長５μｍが受け入れられる出力密度１２４ワット／ｃｍ２のＰｄを与えることを示している。
【００７４】
表３は、Ｉ┴／Ｉｐｌａｎｅの増大により、より大型のセンサを使用することが可能となることを示している。大型のセンサは作成が容易であり、等しい出力密度に対してより大きい電流をサポートし、より高いホール電圧と、より良好な感度が得られる。
【００７５】
次に図１３を参照すると、センサ１０に対する回路２００が示されている。正端子２１２および負端子２１４を有する電池２１０はそれぞれ、枝端部層１６ｃに直接接続され、直列接続器ＲＬを介して枝端部層１６ａに接続される。
【００７６】
電池２１０は、端部層１６ｃに、端部層１６ａに対して正にバイアスをかけ、端部層１６ｃ、枝１４ｃ、中心領域１４ｅ、枝１４ａ、および端部層１６ｃを介して電流Ｉｐｌａｎｅを供給する。端部層１６ｃは正バイアスであるので、端部層１６ｃはｎ型活性領域１４に対して排他的接触であり、その結果ｎ型活性領域１４は、初めに述べたように同数の電子および正孔が欠乏し、伝導に対する真性の寄与がほぼなくなる。排他ゾーンは、枝１４ｃ、中心領域１４ｅ、および枝１４ａを通じて延在する。図面の平面に垂直に印加される磁場によって、ホール電圧が領域１６ｂと１６ｄの間に発生する。端部層１６ｃと１６ａの間に流れる電流は、主に１つのキャリア型、すなわちドナー不純物から活性化された電子のみによるものであり、センサは、Ｓｉなど、より広いバンドギャップ材料の外因性飽和状態をシミュレートする状態で動作する。
【００７７】
図１４を参照すると、センサ５０に関する回路３００が示されている。この回路３００は、直接枝端部層１６ｃに接続された正端子３１２と、直列接続された抵抗器Ｒｓを通じて枝端部層１６ａに接続された負端子３１４とを有する第１電池３１０を有する。第２電池３２０は、直列接続された抵抗器ＲＢを通じてセンサ基板接続３３０に接続された負端子３２２を有し、領域１６ｃと第１電池の負端子３１４とに接続された正端子３３４も有する。
【００７８】
第１電池３１０は、抵抗器ＲＳを通じてセンサ５０にバイアスをかけ、電流Ｉｐｌａｎｅは、枝５３ａ、中心領域５３ｅ、および枝５３ｃを介して、端部層５４ａと５４ｃとの間を流れる。第２電池３３０は、端部層５４ａおよび５４ｃに対して基板６２（図６参照）にバイアスをかけ、層５３と６６の間のｎｐ＿ヘテロ接合１１０に逆バイアスをかける。層６６は、層５３に対する抽出接触として働き、その結果層５３では、伝導に対する真性の寄与がほぼなくなる。したがって、層５３中の電流Ｉｐｌａｎｅは、主に１つのキャリア型、すなわちドナー不純物から活性化された電子だけによるものであり、センサ５０は、外因性飽和状態をシミュレートする状態で動作する。図面の平面に垂直な磁場により、センサ５０は、中心領域５３ｅの両端間に、端部層５４ｂと５４ｄの間で検出可能なホール電圧ＶＨを発生する。
【００７９】
ホール効果および磁気抵抗センサは通常、センサ電流が一定に保たれ、磁場Ｂを示すために電圧の変化が検出される電流駆動モードで動作する。磁場Ｂは、ホール効果センサの場合、
【数８】
0004896338.tif 000012
によって与えられる。上式で、パラメータは初めに定義したものと同様である。
【００８０】
式（１）より、
【数９】
0004896338.tif 000013
【００８１】
上式で、ＶＤは磁気抵抗センサを通じて電流Ｉｘを駆動する縦方向電圧であり、変形すると、
【数１０】
0004896338.tif 000014
【００８２】
電流駆動モードでは、Ｂの測定値はキャリア濃度ｎに依存する。キャリア濃度は、半導体中の生成−再結合の雑音を受け、測定値にも影響を及ぼす。電荷キャリア抽出を有するセンサは、キャリア濃度の変動または移動度の変動による１／ｆ雑音の影響を受ける。既存の（不確定の）証拠は濃度変動を支持している。そうであるならば、電流駆動／電圧読取りモードは、１／ｆ雑音を受けることになる。
【００８３】
本発明の磁場センサについての動作の代替モードは電圧駆動、すなわち一定の駆動電圧での動作と、磁場Ｂを示すための電圧読取りである。磁気抵抗センサの場合、Ｂは依然として式（１２）によって与えられ、ホール効果センサの場合は、
【数１１】
0004896338.tif 000015
によって与えられる。ここで、ｌｘはセンサ長であり、他の項は初めに定義したものと同様である。電圧駆動モードでは、Ｂの測定値はキャリア密度に無関係であり、移動度の温度依存性だけの理由で温度依存性である。移動度の温度依存性はゆっくりと変動し、さらに残留キャリア濃度変化による効果を相殺する。この２つは反対の効果を生成するからである。さらに、生成再結合雑音または１／ｆ雑音が密度変動によるものである場合、このＢの測定値は、生成再結合雑音または１／ｆ雑音を受けない。
【００８４】
電圧駆動モードは、センサ熱暴走およびセンサ熱不安定を引き起こす可能性があるので一般に使用されない。しかし、熱暴走は本発明によって低減される真性伝導によるものであるので、本発明のセンサは熱暴走に対して安定化される。さらに、このモードでの動作は、同等の性能を得るために、他のモードほどに真性の寄与を低減する必要がない。電流駆動モードよりも広い温度範囲にわたってセンサを動作させることができることも予想される。
【００８５】
別の代替方法は、本発明のホール効果センサを電流駆動モードおよび電流読取りモードで動作させることである。このモードでは、センサ電流Ｉｘを一定に保ち、ホール電圧を使用して、ホール電圧電極の両端間に接続された外部回路内の電流を駆動し、外部回路内の電流を測定する。このモードは原理上、電圧駆動モードおよび電圧読取りモードと同じ利点を有する。このようなセンサを介する電流駆動モードおよび電流読取りモードでの電流パターンは複雑であり、完全な評価のためには数値モデル化が必要である。センサ出力信号を使用してデバイスを直接駆動する必要があるときは、電流読出し装置を使用する。
【００８６】
次に図１５を参照すると、本発明の磁気抵抗センサ４００の断面が示されている。しかしこれは、４０２などのジグザグの線によって示されているように、原寸に比例して描いたものではない。図６に示されているのと同等の部分は接頭部４００を用いて同様に参照符号を付けてある。センサ４００は、ＩｎＳｂまたはＧａＡｓの基板４６２上のｐ＋型ＩｎＳｂの１μｍ厚の基板層４６４を含み、電気バイアス接触４８４を有する。望むなら、電気バイアス接触４８４をより遠くに再配置することもできる。層４６４の上には、ｐ＿＋型Ｉｎ１−ｘＡｌｘＳｂの２０ｎｍ厚の層４６６が載せられる。ｘは０．１〜０．５の範囲であり、好ましくは０．１〜０．２、例えば０．１５である。層４６６は、ほぼドーパント濃度３×１０１５ｃｍ−３を有するｐ型ＩｎＳｂからなる、０．５μｍ厚の層４０４によって覆われるが、鎖線によって示すように、その表面４０６から３０ｎｍ下にシリコンの超薄層４０８を取り込む。シリコン層４０８はδドーピング層と呼ばれる。動作の際には、δドーピング層４０８は、６×１０１１ｃｍ−２〜２×１０１２ｃｍ−２の範囲、例えば１×１０１２ｃｍ−２の濃度を有する２次元電子ガスを供給する。
【００８７】
ＩｎＳｂの３０ｎｍ厚の２つのｎ＋領域４１１が層４０４上に堆積し、層４０４への電気的接続を提供する。これらにより、センサ４００の両端間の電圧を測定することが可能となり、したがってセンサ抵抗を決定して磁場の測定を実現することが可能となる。２つのｎ＋領域４１１は、２〜５μｍの範囲、例えば３．５μｍの距離だけ分離する。平面図内では、センサ４００は、枝１４ａおよび１４ｃがないことを除き、図１に示すのと同様である。
【００８８】
センサ４００は、逆バイアスがかけられたとき、すなわち電極４１１のうち１つが基板４６２に対して正にバイアスをかけられたときに、ｐ層４０４がキャリア抽出を受けるｎ＋−ｐ−ｐ＿＋−ｐ＋ダイオード構造である。これは、層４１１と４０４との間の界面が、逆バイアスをかけたときに抽出性接触であるｎ＋ｐ接合であるからである。キャリア濃度は、バイアスがかけられていない間に優勢である真性濃度よりもずっと下に減少し、飽和外因性状態と同様に温度にほぼ無関係となる。
【００８９】
δドーピング層４０８によって、電子の伝導層がｐ層４０４に設けられる。電子は、やはり温度に対してほぼ一定の濃度を有する２次元ガスを形成する。温度はドーピング濃度によって設定されるものであり、熱活性化によって設定されるのではないからである。δドーピング層４０８からの電子は、センサ活性領域であるｐ層４０４中の電荷キャリアの優勢な供給源である。ｎ＋層４１１は、ｐ層４０４へのソース接続およびドレイン接続として働き、ｐ層４０４はそれらの間の導電経路を供給する。ｐ層４０４がこの導電経路の抵抗であり、この抵抗は、式（１）に従って磁場依存性であり、磁場を測定する手段である磁気抵抗効果を提供する。
【００９０】
少数キャリア（電子）移動度、したがって電子拡散距離は、ｐ型半導体材料中の方がｎ型の等価物中の正孔移動度よりもずっと大きい。キャリア抽出効果は少数キャリア拡散距離にわたって延在し、２つの伝導率のタイプの結果として、ｐ型材料はずっと効率的な抽出を受け、キャリア濃度がより大きな温度依存性を有する。センサ４００では、５０Ｋにわたるキャリア濃度および抵抗Ｒ０の変化は約２％であり、これは多くの応用例において十分に一定である。
【００９１】
次に図１６を参照すると、磁気抵抗センサ５００の断面が示されている。しかしこれは、５０２などのジグザグの線によって示されているように、原寸に比例して描いたものではない。センサ５００は、ドーパント濃度２×１０１８ｃｍ−３を有するｐ＿＋型Ｉｎ０．８５Ａｌ０．１５Ｓｂの１μｍ厚の層５０４を有する。層５０４は、ＩｎＳｂまたはＧａＡｓの基板５０６上にあり、電気バイアス接触５０８を有する。電気的バイアス接触５０８はより遠くに配置することもできる。層５０４は、名目上非ドープ（１×１０１６ｃｍ−３未満）のｐ＿−型Ｉｎ０．８５Ａｌ０．１５Ｓｂの０．５μｍ厚の層５１０を支承する。層５１０は、ドーパント濃度３×１０１５ｃｍ−３を有するｐ型ＩｎＳｂの１５ｎｍ厚の量子井戸５１２によって覆われる。量子井戸５１２は、名目上非ドープ（１×１０１６ｃｍ−３未満）のほぼｐ＿−型Ｉｎ０．８５Ａｌ０．１５Ｓｂからなる１５０ｎｍ厚の層５１４（許容される厚さの範囲１００〜２００ｎｍ）によって覆われる。ｐ＿−型層５１４は、量子井戸５１２の上に、それから１０〜４０ｎｍの範囲の距離だけ離して配置されるシリコンｎ型δドーピング層５１８を組み込む。動作の際、δドーピング層５１８は、６×１０１１ｃｍ−２〜２×１０１２ｃｍ−２の範囲の濃度、例えば１×１０１２ｃｍ−２の濃度を有する２次元電子ガスを供給する。量子井戸５１２がエネルギー的に良好であるので、この２次元電子ガスは量子井戸５１２中に発生する。これは変調ドーピングと呼ばれ、電子ガス濃度も温度に対して一定である。
【００９２】
ＩｎＳｂの３０ｎｍ厚の２つのｎ＋領域５２０が層５１４上に堆積し、層５１４への電気的接続を与える。この２つのｎ＋領域により、センサ５００の両端間の電圧を測定することが可能となり、したがってセンサ抵抗を決定して磁場の測定を実現することが可能となる。この２つのｎ＋領域は、２〜５μｍの範囲の距離、例えば３．５μｍだけ分離する。平面内では、枝１４ａおよび１４ｃがないことを除き、センサ５００は図１と同様である。
【００９３】
センサ５００は、逆バイアスが印加されたとき、すなわち、電極５２０の一端または両端が基板５０６に対して正にバイアスがかけられたときに量子井戸５１２がキャリア抽出を受けるｎ＋−ｐ＿−量子井戸−ｐ＿−−ｐ＿＋ダイオード構造である。これは、層５１４と５２０の間の界面が、逆バイアスがかけられたときに抽出接触となるｎ＋ｐ接合であるからである。量子井戸５１２中のキャリア濃度は、バイアスがかけられていない場合真性等価物よりもずっと低くなり、やはり飽和外因性状態と同様に温度とはほぼ無関係となる。次いで、δドーピング層４０８からの電子は、センサ活性領域である量子井戸５１２中の電荷キャリアの優勢な供給源である。センサ５００の他の領域５０４、５１０、および５１４は、量子井戸５１２よりも広いバンドギャップを有し、そのキャリア濃度は一定とみなすことができる。
【００９４】
ｎ＋層５２０は、ｐ＿−層５１４および量子井戸５１２を介する接触導電経路がその間に存在するソース電極とドレイン電極として働く。磁場依存性であるのは、この導電経路の抵抗であり、これにより、磁場を測定することが可能となる。
【００９５】
センサ５００では、５０Ｋにわたるキャリア濃度の変化は１％未満である。これは、非常に高い安定度であり、要求の厳しい応用例に適している。センサ５００は、電子−正孔対の熱活性化とは異なり固定パラメータである変調ドーピングによって量子井戸キャリア濃度が決定されるので、この点で前の実施形態よりも良好に動作する。
【００９６】
図６、１５、および１６に示す層構造は、それぞれホール効果センサと磁気抵抗センサのどちらを作成するのにも使用することができる。２つのタイプのセンサの間の差は単に、前者が図１に示すような４つの端子構成を有し、後者が枝１４ｂおよび１４ｄが存在しない（あるいは使用しない）ことに対応して２つの端子構成を有することだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ホール効果デバイスの形態の、本発明の磁場センサの概略平面図である。
【図２】  図１の線ＩＩ−ＩＩに対する断面図である。
【図３】  図１および２のセンサのエネルギーバンド構造を示す図である。
【図４】  本発明の別のセンサのエネルギーバンド構造を示す図である。
【図５】  本発明の別のセンサを示す図である。
【図６】  図５の線ＶＩ−ＶＩに対する断面図である。
【図７】  図５のセンサについてのエネルギーバンド図である。
【図８】  図５のセンサの中心領域を示す図である。
【図９】  図５に示すセンサに関する別の幾何形状を示す図である。
【図１０】  様々なセンサ動作条件の下でのｎ型ＩｎＳｂ中の電子移動度に対する寄与を示す図である。
【図１１】  平衡ＩｎＳｂおよび抽出ＩｎＳｂについての、ホール係数ＲＨに対する温度変動の効果を示す図である。
【図１２】  平衡ＩｎＳｂと抽出ＩｎＳｂの両方についての、磁束密度に伴うホール係数ＲＨの変動を示す図である。
【図１３】  図１のセンサに関する回路図である。
【図１４】  図５のセンサに関する回路図である。
【図１５】  磁気抵抗デバイスの形態の、本発明の磁場センサの断面図である。
【図１６】  量子井戸を組み込む本発明の磁気抵抗センサの断面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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