(57)【要約】  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。
2020040264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホール素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１０２６５６号公報
【特許文献２】特開平５−７４７０９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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).
【非特許文献２】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).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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２】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。
【図３】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。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】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。
【図５Ａ】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。
【図５Ｂ】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。
【図５Ｃ】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。
【図５Ｄ】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。
【図５Ｅ】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。
【図５Ｆ】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８Ａ】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。
【図８Ｂ】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。
【図９Ａ】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。
【図９Ｂ】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。
【図１０Ａ】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。
【図１０Ｂ】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。
【図１１】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。
【図１２Ａ】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。
【図１２Ｂ】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。
【図１３Ａ】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。
【図１３Ｂ】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。
【図１３Ｃ】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。
【図１３Ｄ】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。
【図１３Ｅ】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。
【図１３Ｆ】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。
【図１３Ｇ】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。
【図１３Ｈ】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。
【図１３Ｉ】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６Ａ】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。
【図１６Ｂ】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。
【図１７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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】
【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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／（ρｘｘ２＋ρｙｘ２）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).【００２８】
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。【００２９】
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。
【数１】
2020040264.tif 000003
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。【００３０】
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。
【数２】
2020040264.tif 000004
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。【００３１】
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。
【数３】
2020040264.tif 000005
【００３２】
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）。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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】
【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
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。【００４９】
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。【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
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】
【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
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。【００５８】
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。【００５９】
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。【００６０】
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。【００６１】
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。【００６２】
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。【００６３】
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。【００６４】
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。【００６５】
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。【００６６】
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。【００６７】
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。【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
１００    ホール素子
１    基板
２    薄膜
２１、２２、２３、２４、２５、２６  端子
【図１】
2020040264.tif 000006
【図２】
2020040264.tif 000007
【図３】
2020040264.tif 000008
【図４Ａ】
2020040264.tif 000009
【図４Ｂ】
2020040264.tif 000010
【図５Ａ】
2020040264.tif 000011
【図５Ｂ】
2020040264.tif 000012
【図５Ｃ】
2020040264.tif 000013
【図５Ｄ】
2020040264.tif 000014
【図５Ｅ】
2020040264.tif 000015
【図５Ｆ】
2020040264.tif 000016
【図６】
2020040264.tif 000017
【図７】
2020040264.tif 000018
【図８Ａ】
2020040264.tif 000019
【図８Ｂ】
2020040264.tif 000020
【図９Ａ】
2020040264.tif 000021
【図９Ｂ】
2020040264.tif 000022
【図１０Ａ】
2020040264.tif 000023
【図１０Ｂ】
2020040264.tif 000024
【図１１】
2020040264.tif 000025
【図１２Ａ】
2020040264.tif 000026
【図１２Ｂ】
2020040264.tif 000027
【図１３Ａ】
2020040264.tif 000028
【図１３Ｂ】
2020040264.tif 000029
【図１３Ｃ】
2020040264.tif 000030
【図１３Ｄ】
2020040264.tif 000031
【図１３Ｅ】
2020040264.tif 000032
【図１３Ｆ】
2020040264.tif 000033
【図１３Ｇ】
2020040264.tif 000034
【図１３Ｈ】
2020040264.tif 000035
【図１３Ｉ】
2020040264.tif 000036
【図１４】
2020040264.tif 000037
【図１５】
2020040264.tif 000038
【図１６Ａ】
2020040264.tif 000039
【図１６Ｂ】
2020040264.tif 000040
【図１７】
2020040264.tif 000041
【国際調査報告】
2020040264.tif 000042
2020040264.tif 000043
2020040264.tif 000044
2020040264.tif 000045