DE68924471T2

DE68924471T2 - Magnetowiderstand.

Info

Publication number: DE68924471T2
Application number: DE68924471T
Authority: DE
Inventors: Joseph Pierre Heremans; Donald Thomas Morelli; Dale Lee Partin
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-07-13
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2009-07-14
Also published as: EP0375107A2; JPH02194576A; CA1303246C; EP0375107B1; EP0375107A3; KR900011047A; KR930000825B1; DE68924471D1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Magnetfeldsensoren, beispielsweise wie von S. Kataoka in "Recent development of Magnetoresistive Devices and Applications", Circulars of Electrotechnical Laboratory No. 182, Agency of Industrial Science and Technology, Tokyo (Dezember 1974), beschrieben, und insbesondere verbesserte Dünnfilm-Magnetoresistoren sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Magnetoresistors.

Hintergrund der Erfindung

In der Vergangenheit wurde angenommen, daß Magnetoresistoren am besten aus halbleitendem Material hoher Trägerbeweglichkeit gebildet werden, um die höchste magnetische Empfindlichkeit zu erhalten. Im Brennpunkt standen daher die Herstellung von Magnetoresistoren aus Grundmaterialien, die immer dünner gemacht wurden, oder Filme mit ausreichender Dicke, um eine hohe durchschnittliche Beweglichkeit aufzuweisen.
Ein Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die im Anspruch 1 spezifizierten Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfinder fanden einen neuen Weg, die Herstellung von Magnetoresistoren anzugehen. Die Erfinder haben herausgefunden, daß dann, wenn eine Akkumulationsschicht in der Oberfläche eines extrem dünnen Films aus halbleitendem Material induziert wird, die Eigenschaften der Akkumulationsschicht, die relevant für magnetische Empfindlichkeit sind, gegenüber denjenigen des Restes des Films vorherrschen können.
Derartige Akkumulationsschichten können Halbleitermaterialien größerer Bandlücke in Magnetosensoren nützlich machen. Derartige Materialien können bei höheren Betriebstemperaturen als ein halbleitendes Material kleinerer Bandlücke verwendet werden, wie beispielsweise Indiumantimonid. Jedoch können sie sogar die Empfindlichkeit von Indiumantimonid genügend steigern, um dessen Verwendung bei höheren Temperaturen zu gestatten.

Zusammenfassung der Erfindung

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß diese Erfindung einen Magnetoresistor involviert, der in einem Film mit einer Akkumulationsschicht aus Stromträgern gebildet ist, und in dem die magnetische Änderung in der Leitfähigkeit der Akkumulationsschicht nicht durch die Leitfähigkeit des Gleichgewichts des Films verdeckt ist. Die Akkumulationsschicht kann vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie diejenige des Films oder von einem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sein. Eine Akkumulationsschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps wird auch als eine Inversionsschicht bezeichnet, sie wird jedoch als innerhalb des Umfangs des Ausdrucks "Akkumulationsschicht" liegend angesehen, wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird.
Diese Erfindung ist besonders auf eine Verwendung einer Akkumulationsschicht in Magnetoresistoren gerichtet, die aus halbleitenden Materialien größerer Bandlücke hergestellt sind. Jedoch wird erwartet, daß sie vorteilhaft in Magnetoresistoren ist, die aus noch anderen halbleitenden Materialien hergestellt sind.
Diese Erfindung schafft außerdem neue Magnetoresistor- Bauweisen und Verfahren zur Herstellung von Magnetoresistoren.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1A ist eine schematische Ansicht eines Magnetoresistors, die seine elektrischen Stromflußlinien zeigt, wenn kein Magnetfeld an ihn angelegt ist.
Figur 1B ist eine schematische Ansicht eines Magnetoresistors, die zeigt, wie die in Figur 1A gezeigten elektrischen Stromflußlinien in der Ebene einer Hauptfläche des Magnetoresistors umgelenkt werden, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu dieser Fläche angelegt ist.
Figur 2 ist eine isometrische Ansicht, die einen Magnetoresistor mit zwei elektrisch parallelen integralen Wahrnehmungsbereichen zeigt.
Figur 3 ist eine dreidimensionale oder Kontur- Darstellung, die die Änderung des elektrischen Widerstands in einem Einzelelement- Halbleiter-Magnetoresistor größerer Bandlükke mit Änderungen in der Temperatur und der magnetischen Feldstärke zeigt.
Figur 4 ist eine zweidimensionale Darstellung der unterbrochen aufgetragenen Magnetoresistenz über einen breiteren Temperaturbereich als in Figur 3.
Figur 5 ist eine zweidimensionale Darstellung, die die Widerstandsänderung ohne angelegtes Magnetfeld über einen breiteren Temperaturbereich als in Figur 3 zeigt.
Figur 6 ist eine Aufrißansicht, die einen Halbleiterfilm in einem Muster zum Schaffen einer in Reihe geschalteten Vielzahl von Wahrnehmungsbereichen zeigt, die in einem einzelnen Magnetoresistor integriert sind.
Figur 7A ist eine Aufrißansicht, die ein Metallisierungsmuster zur Überlagerung auf dem Muster von Figur 6 zeigt.
Figur 7B ist eine Aufrißansicht, die das Metallisierungsmuster von Figur 7A dem Halbleitermuster von Figur 6 überlagert zeigt, um die Vielzahl von Wahrnehmungsbereichen zu entwerfen.
Figur 8 ist eine dreidimensionale oder Kontur-Darstellung, die die Änderung des elektrischen Widerstands eines Mehrfachwahrnehmungsbereich-Magnetoresistors zeigt, wie er in Figur 7B gezeigt ist.
Figuren 9 und 10 sind zweidimensionale Elektronenenergie-gegen-Tiefe-Darstellungen, die zeigen, wie Elektronen in einer Akkumulationsschicht unter speziellen Schichten auf einer Oberfläche des Wahrnehmungsbereiches des Magnetoresistors eingeschlossen sein könnten.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein typisches Magnetoresistor-Element besteht aus einem Halbleiter-Block, typischerweise rechtwinkliger Gestalt, durch den ein Strom geführt wird. Ein derartiger Magnetoresistor wird von S. Kataoka in "Recent development of Magnetoresistive Devices and Applications", Circulars of Electrotechnical Laboratory No. 182, Agency of Industrial Science and Technology, Tokyo (Dezember 1974) beschrieben.
Bei Abwesenheit eines Magnetfeldes verlaufen die Stromlinien von der einen Injektionselektrode zur anderen in parallelen Linien (siehe Figur 1A). Dieser Fluß liegt zwischen Elektroden entlang den oberen und unteren Kanten des Rechtecks in Figur 1A vor. Die Konfiguration (ein Rechteck in diesem Beispiel) ist so gewählt, daß ein angelegtes Magnetfeld, senkrecht zu dem Block, die Stromlinientrajektorie (siehe Figur 1B) vergrößert. Das Magnetfeld senkrecht zu der Ebene des Rechtecks verlängert somit die Stromflußlinien. Die größere Länge führt zu einem höheren elektrischen Widerstand, solange die resultierende laterale Spannungsdifferenz elektrisch kurzgeschlossen ist, wie gezeigt, durch die oberen und unteren Kantenelektroden.
Die beste Konfiguration für das Auftreten dieses Effektes ist eine Konfiguration, wo die Strominjektionselektroden entlang der längsten Seite des Rechtecks vorliegen und das Verhältnis dieser Abmessung ("Breite") zur kürzesten Abmessung ("Länge") so groß wie möglich ist. Für die vorliegende Erfindung beträgt die Länge der kurzen Kanten des rechtwinkligen Wahrnehmungsbereiches vorzugsweise etwa 30 % bis 50 % der Länge der langen Kanten des rechtwinkligen Wahrnehmungsbereiches. Eine derartige optimale Einrichtungs-Konfiguration führt daher zu einem sehr niedrigen Widerstand. Kataoka lehrt, daß die Magnetfeldempfindlichkeit derartiger Einrichtungen am besten ist, wenn die Einrichtungen aus Halbleitern mit einer größtmöglichen Trägerbeweglichkeit hergestellt sind. Die Widerstandsfähigkeit derartiger Einrichtungen wird weniger temperaturabhängig gemacht, wenn das Halbleitermaterial eine große Donatorkonzentration enthält, was eine große Trägerdichte ergibt. Diese letzten zwei Zwänge bedeuten, daß Halbleiter mit hoher elektrischer Leitfähigkeit für praktische Anwendungen am besten geeignet sind.
Kombiniert mit den früher beschriebenen geometrischen Einschränkungen kann gefolgert werden, daß das endgültige Magnetoresistor-Element einen geringen Widerstand aufweist. Dies hat einen praktischen Nachteil. Unter einer konstanten Spannung ist die von der Einrichtung verbrauchte Leistung umgekehrt proportional zum Widerstand. Um Ohm'sches Heizen zu begrenzen (das den Betriebstemperaturbereich des Sensors begrenzen, wenn nicht den Sensor selbst zerstören würde) und dabei einen großen Spannungsausgang während der Sensorabfrage aufrechtzuerhalten, ist es wünschenswert, daß ein Magnetoresistenz-Element einen Widerstand um 1 kΩ aufweist. Die Erfinder betrachten dies als typischerweise äquivalent zu einem Widerstand von etwa 300 Ω - 3 kΩ. Eine Anzahl von Wegen ist vorgeschlagen worden, um derartige Widerstände zu erzielen. Beispielsweise, wie Kataoka herausgestellt hat, kann eine Anzahl von Elementar-Einrichtungen in Reihe angeordnet werden. Die Herstellung einer Vielzahl von Wahrnehmungsbereichen als integrale Teile eines einzelnen Elements ist in Figur 2 gezeigt. Obwohl lediglich zwei Wahrnehmungsbereiche (d.h. Einrichtungen) gezeigt sind, könnte ein Element mit einigen zehn oder hundert integraler Wahrnehmungsbereiche (d.h. Einrichtungen) hergestellt werden.
Wenn der magnetfeldunabhängige Metall-Halbleiter-Übergangskontaktwiderstand einer derartigen Elementar-Einrichtung einen merklichen Bruchteil des Halbleiterwiderstands dieser Elementar-Einrichtung darstellt, setzt er die Empfindlichkeit für ein Magnetfeld herab. Somit müssen Metalle abgelagert werden, die einen sehr niedrigen Metall-Halbleiter-Übergangskontaktwiderstand aufweisen, um diese Empfindlichkeitsherabsetzung zu vermeiden. In den meisten Fällen würde der Übergangskontaktwiderstand zwischen dem Wahrnehmungsbereich und seinen Elektroden vorzugsweise 10-100mal weniger als der Widerstand des Wahrnehmungsbereiches zwischen diesen Elektroden betragen. Eine weitere Option, die das Problem geringen Magnetoresistoreinrichtungs-Widerstand mindert, bestand darin, aktive Schichten zu verwenden, die so dünn wie möglich sind. Dies ist durch Dünnermachen von Wafern aus Indiumantimonid (InSb) vorgenommen worden, die aus Grundblöcken in Form von Scheiben abgeschnitten wurden, und zwar bis hinab zu kleinen Dicken wie 10 Mikrometer. Der Waferverdünnungsprozeß ist ein sehr schwieriger Prozeß, da irgendeine verbleibende Beschädigung aus dem Verdünnungsprozeß die Elektronenbeweglichkeit herabsetzt. Das Reduzieren der Elektronenbeweglichkeit verringert die Empfindlichkeit für ein Magnetfeld von aus diesem Material hergestellten Einrichtungen.
Ein weiterer Weg war die Ablagerung von Filmen aus InSb auf ein isolierendes Substrat. Andererseits ist in diesem letzteren Fall die Elektronenbeweglichkeit der resultierenden Filme auf einen Bruchteil von derjenigen von Grund-InSb reduziert. Diese Reduzierung tritt aufgrund von Defekten im Film auf. Mit typischen Beweglichkeiten von 20.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ erzeugen diese Filme Einrichtungen mit beträchtlich reduzierter Empfindlichkeit für ein Magnetfeld im Vergleich zu aus Grund-InSb hergestellten Einrichtungen. Die gewöhnliche Einrichtungsstruktur für die aus einem Film hergestellten bekannten Magnetoresistoren ist schematisch in Figur 2 gezeigt.
Der Hauptteil der bekannten bisherigen Arbeit konzentrierte sich auf InSb. Dies ist aus den Daten in der folgenden Tabelle I verständlich. TABELLE I Potentielle Magnetoresistor-Materialien bei 300ºK Halbleitendes Material Maximale Elektronenbeweglichkeit (cm²V&supmin;¹s&supmin;¹) Kristallgitterkonstante (A) Energiebandlücke (eV)
Da der Magnetoresistenz-Effekt proportional zu dem Quadrat der Elektronenbeweglichkeit für kleine Magnetfelder ist, wird InSb besonders bevorzugt. Jedoch führte die Schwierigkeit des Wachsenlassens von Verbund-Halbleitern im allgemeinen und die Tatsache, daß es kein geeignetes gitterangepaßtes, isolierendes Substrat gibt, auf welchem er wachsengelassen werden kann, die Erfinder dazu, das Wachsenlassen von Bi-Filmen zu versuchen. Über eine derartige Arbeit ist kürzlich von Partin et al. in Physical Reviews B, 38, 3818-3824 (1988), und von Heremans et al. in Physical Reviews B, 38, 10280-10284 (1988) berichtet worden. Obwohl die Erfinder mit dem Wachsenlassen der ersten dünnen Epitaxial-Bi-Filme Erfolg hatten, und zwar mit Beweglichkeiten der Größe 25.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ bei 300ºK (und 27.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ für Bi1-xSbx bei 300ºK), besaßen aus diesen Filmen hergestellte Magnetoresistoren sehr niedrige Empfindlichkeiten. Modellstudien, welche die Erfinder gerade abgeschlossen haben, deuten an, daß dies deren Wissens nach ein unbemerkter Effekt der Tatsache ist, daß die Energiebandstruktur von Bi mehrere entartete Leitungsbandminima aufweist. Andere in Tabelle I gezeigte Materialien hoher Beweglichkeit weisen ein einzelnes, nicht-entartetes Leitungsbandminimum auf. Die Erfinder begannen dann, dünne InSb-Filme (auf halbisolierenden GaAs- Substraten) wachsenzulassen, und zwar unter Verwendung der organisch-chemischen Metalldampfablagerungs-Wachstumstechnik (MOCVD). Nach vielen mühsamen Monaten konnten die Erfinder lediglich Filme mit Elektronenbeweglichkeiten von 5.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ herstellen.
Die Erfinder versuchten dann, Indiumarsenid (InAs) auf halbisolierenden GaAs- und außerdem auf halbisolierenden InP-Substraten wachsenzulassen. Mit "halbisolierend" sind Substrate mit einer Widerstandsfähigkeit gemeint, die so hoch ist, daß die Substrate als im wesentlichen isolierend angesehen werden können. Diese letzteren Substrate wurden halbisolierend gemacht, indem sie mit Fe dotiert wurden. Sie wurden zusätzlich zu GaAs ausprobiert, da es eine geringere Gitter-Fehlanpassung mit InAs gibt (siehe Tabelle I). Nach einiger Zeit waren die Erfinder in der Lage, InAs-Filme mit einer Raumtemperaturbeweglichkeit von 13.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ auf InP-Substraten und von geringerer Beweglichkeit auf GaAs-Substraten herzustellen. Die besseren InAs-Filme wurden durch den folgenden Prozeß gebildet.
Ein von der Emcore Corporation, USA, hergestellter MOCVD- Reaktor wurde verwendet. InP-Substrate wurden auf die Wachstumstemperatur in einer Atmosphäre von 5333 Pa (40 Torr) aus hochreinem (palladiumdiffundierten) Wasserstoff erwärmt, dem eine mittlere Menge Arsin hinzugefügt wurde (80 SCCM oder Standardkubikzentimeter pro Minute). Dies erzeugte etwa 0,02 Molenbruch Arsin. Das Arsin wurde verwendet, um eine thermische Zersetzung der InP-Oberfläche zu verzögern, die durch Verlust des flüchtigeren Phosphors verursacht wurde. Die Art und Weise, in der Arsin die Oberflächenaufrauhung während dieses Prozesses reduziert, ist nicht gut verstanden. Phosphin wäre vorgezogen worden, stand zu der Zeit jedoch im Reaktor nicht zur Verfügung. Nach dem Erreichen einer Temperatur von 600ºC wurde der Arsinfluß auf 7 SCCM reduziert, und Ethyl-Dimethyl-Indium (EDMIn) wurde in die Wachstumskammer eingeführt, indem hochreiner Wasserstoff (100 SCCM) in Blasen durch EDMIn geführt wurde, das auf 40ºC gehalten wurde. Höhere oder niedrigere Arsinströme während des Wachstums ergaben geringere Beweglichkeiten und schlechtere Oberflächenmorphologien. Nach 2,5 Stunden langer InAs-Wachstumszeit wurde der EDMIn-Fluß zur Wachstumskammer gestoppt und die Proben auf Raumtemperatur in einer arsinreichen Atmosphäre (wie während des Aufheizens) gekühlt.
Die Dicke des resultierenden InAs-Films betrug 2,3 Mikrometer. Aus herkömmlichen Hall-Effekt-Messungen bei 300ºK betrug die Elektronendichte 1,4 x 10¹&sup6;cm&supmin;³ und die Elektronenbeweglichkeit 13.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹. Dies sind effektiv Mittelwerte, da die Elektronendichte und -beweglichkeit innerhalb eines Films variieren können. Der Film war nicht absichtlich dotiert. Obwohl dies eine sehr enttäuschende Beweglichkeit darstellt, wurde ein roher Magnetoresistor hergestellt, da dies sehr wenig Aufwand erforderte. Eine rechtwinklige Probe wurde von dem gewachsenen Material abgespalten, In-Metall wurde entlang zwei gegenüberliegenden Kanten der Probe handgelötet und Leitungen wurden mit dem In-Metall verbunden. Die die vertikale Abmessung in den Figuren 1A und 1B darstellende Länge betrug 2 mm und die die horizontale Abmessung in den Figuren 1A und 1B darstellende Breite 5 mm.
Wie erwartet war der Widerstand der Einrichtung niedrig (etwa 50 Ω), da die Erfinder nicht viele Elemente in Reihe vorliegen hatten. Jedoch war der Magnetoresistenz-Effekt groß. Er ist in Figur 3 gezeigt. Darüber hinaus waren Einrichtungswiderstand und -Magnetoresistenz überraschend stabil mit der Temperatur in dem in Figur 3 gezeigten und -50ºC bis +100ºC betragenden Bereich. Eine zweite, ähnliche Einrichtung wurde weniger gründlich bei Temperaturen bis +230ºC getestet. Die Ergebnisse dieses letzteren Tests sind in den Figuren 4 und 5 gezeigt. In Figur 4 betrug das angelegte Magnetfeld 0,4 Tesla. Die Magnetoresistenz ist als eine Funktion der Temperatur zwischen B = 0,4 Tesla und B = 0 unterbrochen aufgetragen. Trotz der Tatsache, daß das Indium-Metall, das für Kontakte verwendet wurde, einen Schmelzpunkt von 156ºC aufweist, war der Magnetoresistor noch überraschend gut wirksam bei 230ºC, wobei der unterbrochen aufgetragene Teilanstieg im Widerstand für ein gegebenes Magnetfeld (0,4 Tesla) um weniger als die Hälfte im Vergleich zu dem Ansprechen nahe Raumtemperatur reduziert war (wie in Figur 4 gezeigt).
Der Einrichtungswiderstand in einem Magnetfeld von Null, R(0), nahm über denselben Temperaturbereich um einen Faktor 5 ab (wie in Figur 5 gezeigt). Die Erfinder empfanden dieses auch als überraschend gut, selbst unter Berücksichtigung der relativ großen Energielücke von InAs.
Die eigene detaillierte Analyse der Erfinder von Transportdaten von diesen Filmen deutet darauf hin, daß Stromträger mit zwei unterschiedlichen Beweglichkeiten vorhanden sind.
Rückblickend sieht es so aus, als hingen die Ergebnisse mit einer Akkumulationsschicht von Elektronen an der Oberfläche der Wahrnehmungsschicht zusammen. Die Erfinder haben jetzt herausgefunden, daß Wieder in Appl. Phys. Letters, 25, 206 (1974) berichtete, daß eine derartige Akkumulationsschicht gerade innerhalb des InAs nahe des Luft/InAs-Übergangs existiert. Den Erfindern erscheint es, als seien einige Fehler in dem Wieder-Bericht. Jedoch meinen die Erfinder, daß die Grund-Schlußfolgerung, daß eine Elektronenakkumulationsschicht existiert, korrekt ist. Diese Elektronen sind räumlich von der positiven Ladung am Luft/InAs-Übergang getrennt. Somit werden sie relativ wenig durch diese Ladung gestreut, was eine höhere Beweglichkeit ergibt, als es normalerweise der Fall wäre. Sie existieren außerdem in einer sehr hohen Dichte in einer derartigen Akkumulationsschicht, so daß mit steigender Temperatur die Dichte thermisch erzeugter Träger einen relativ kleinen Bruchteil der Dichte in der Akkumulationsschicht darstellt. Dies hilft bei der Stabilisierung des Widerstands (bei einem Magnetfeld von Null) mit der Temperatur. Somit scheint die relativ niedrige gemessene Elektronenbeweglichkeit von 13.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ ein Durchschnittswert für Elektronen in der Akkumulationsschicht und für diejenigen in der übrigen Dicke des Films zu sein.
Somit würde man normalerweise eine relativ dicke Schicht aus InAs wachsenlassen wollen, um einen guten Magnetoresistor herzustellen, da Kristallqualität (und Beweglichkeit) im allgemeinen mit der Dicke besser werden, wenn das Wachsen auf einem gitterfehlangepaßten Substrat stattfindet. Jedoch wird ihre Leitfähigkeit um so größer und würden die Vorteile oder das Vorliegen einer Oberflächenakkumulationsschicht um so weniger ersichtlich werden, je dicker die Schicht wird. Somit deutet das gegenwärtige Verständnis der Erfinder ihrer Einrichtungen darauf hin, daß relativ dünnere Schichten vorzuziehen sind, selbst wenn die durchschnittliche Filmbeweglichkeit etwas abnimmt, da dies dazu führt, daß die Leitfähigkeit der Oberflächenakkumulationsschicht einen größeren Bruchteil der Gesamtfilmleitfähigkeit darstellt. In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors unter Verwendung eines Indiumphosphatsubstrats wird eine organisch-chemische Metalldampftechnik verwendet, um einen nominell undotierten, monokristallinen Film aus Indiumarsenid auf dem Substrat bis zu einer Dicke von weniger als 5 Mikrometer abzulagern. Vorzugsweise umfaßt dieses bevorzugte Verfahren auch, daß der abgelagerte Film Luft ausgesetzt wird. Die exakten Beziehungen zwischen Filmdicke, Kristallqualität und Eigenschaften der Oberflächenakkumulationsschicht werden derzeit studiert.
Die Erfinder haben seither Mehrfachelement-Magnetoresistoren aus diesem Material unter Verwendung von Au- (oder Sn-)Metallisierung hergestellt. Derartige Mehrfachelement-Magnetoresistoren enthalten gewöhnlich über zehn diskrete Wahrnehmungsbereiche. Zuerst wurden herkömmliche Photolithographie-Techniken verwendet, um unerwünschte Bereiche eines Indiumarsenid- (InAs-)Films von der Oberfläche des Indiumphosphid- (InP-)Substrats wegzuätzen und somit das in Figur 6 gezeigte Muster zu entwerfen. Eine verdünnte Lösung (0,5 %) Brom in Methanol wurde verwendet, um das InAs zu ätzen. Dann wurde eine Deckschicht von Au-Metallisierung, 100 Nanometer (1000 Angström) dick, unter Verwendung herkömmlicher Vakuumverdampfungstechniken über der gesamten Oberfläche der Probe abgelagert, und zwar nach Entfernen des Photoresists. Herkömmliche Photolithographie wurde dann verwendet, um unerwünschte Bereiche des Au-Films wegzuätzen und somit das in Figur 7A gezeigte Goldmuster zu entwerfen. Eine verdünnte, wässrige Lösung von KCN wurde für diesen Schritt verwendet. (Die Erfinder meinen, daß gelöster Sauerstoff hilfreich ist, der in die Lösung von der umgebenden Luft aus diffundieren oder in Form eines sehr kleinen Zusatzes von Wasserstoffperoxid zugeführt werden kann.) Die resultierende Zusammensetzung der zwei Muster, wobei das Goldmuster über dem InAs-Film-Muster liegt, ist in Figur 7B gezeigt.
Leitungen wurden dann durch Silberepoxyharz an den großen Au-Endverbindungsanschlüssen befestigt. Leitungen könnten auch durch normale und anerkannte Filament-Drahtverbindungstechniken befestigt werden. In einem solchen Fall, und besonders dann, wenn eine moderne Drahtverbindungsvorrichtung verwendet werden würde, könnten die Verbindungsanschlüsse leicht viel kleiner ausgeführt werden. Auch könnten viele Einrichtungen wie beispielsweise in den Figuren 6, 7A und 7B gezeigt, gleichzeitig unter Verwendung herkömmlicher Technologie für integrierte Schaltkreise hergestellt werden. Die resultierenden Einrichtungen weisen typischerweise einen Widerstand nahe 1 KΩ (typischerweise + oder -20 %) bei Raumtemperatur in einem Magnetfeld von Null auf. Überraschenderweise war der Magnetoresistenz-Effekt auf der Mehrfachwahrnehmungsbereich-Einrichtung viel größer als der Effekt auf einer Einzel-Wahrnehmungsbereich-Einrichtung. Zum Vergleich dieser Effekte bei einem gegebenen Magnetfeld wird auf die Figuren 8 und 3 verwiesen. In der Mehrfachelement-Einrichtung (d.h. dem Mehrzahlwahrnehmungsbereich-Element), besaßen die Wahrnehmungsbereiche ein Verhältnis zwischen Länge und Breite von 2/5. Die Erfinder verstehen nicht, warum die Mehrfachelement-Einrichtung besser arbeitet, da das Verhältnis zwischen Länge und Breite jedes Elementes 2/5 beträgt, das gleiche wie für die in Figur 3 gekennzeichnete Einzelelement-Einrichtung, die unter Verwendung eines Teils der gleichen gewachsenen InAs-Schicht hergestellt wurde. Ein weiterer Mehrfachelement-Magnetoresistor wurde ähnlich zu dem gerade beschriebenen hergestellt, jedoch mit einem Verhältnis zwischen Länge und Breite von 4/5. Er besaß eine beinahe so große Magnetoresistenz wie derjenige, der gemäß den Mustern in den Figuren 6, 7A und 7B hergestellt wurde. Wiederum verstehen die Erfinder dieses noch nicht, jedoch arbeiten die resultierenden Einrichtungen sehr gut. Selbst eine Einrichtung mit einem Verhältnis zwischen Länge und Breite von 6/5 arbeitet gut.
Die relative Stabilität dieser Magnetoresistoren mit der Temperatur scheint nun auch zunehmend wichtig zu sein, da einige Automobilanwendungen einen Betrieb von -50ºC bis +170ºC bis +200ºC erfordern, und es gibt bekannte Anwendungen, die noch höhere Temperaturen (bis 300ºC) erfordern. Es gibt Grund zu der Annahme, daß die vorliegende Erfindung Magnetoresistoren schafft, die bei Temperaturen der Größe 300ºC und sogar noch höheren Temperaturen arbeiten.
Ein potentielles Problem mit InAs-Magnetoresistoren, die gemäß dieser Erfindung hergestellt sind, ist die potentielle Wichtigkeit des Luft/InAs-Übergangs, der bewirken könnte, daß die Einrichtungscharakteristiken empfindlich für Änderungen in der Zusammensetzung der umgebenden Luft sind, oder daß die Charakteristiken sich langsam mit der Zeit oder der thermischen Historie ändern, und zwar aufgrund fortgesetzter Oxidation der Oberfläche. Ein bevorzugter Sensor gemäß dieser Erfindung ist ein Sensor, in dem eine schützende, jedoch gasdurchlässige Beschichtung über jedem Wahrnehmungsbereich des Sensors vorliegt. Vorzugsweise ist eine derartige Beschichtung durchlässig für die umgebende Luft. Die Erfinder haben versucht, die Oberflächen zweier Einrichtungen mit einem besonderen Epoxyharz zu beschichten, der von Emerson and Cuming hergestellt wird, eine Abteilung von Grace Co., USA. Der verwendete Epoxyharz war "Stycast", Nummer 1267. Teile A und B wurden gemischt, auf die Einrichtungen aufgebracht und bei 70ºC zwei Stunden lang verfestigt. Die Erfinder beobachteten keine signifikanten Änderungen in den Einrichtungscharakteristiken bei Raumtemperatur infolge dieses Einkapselungsprozesses. Die Erfinder haben noch nicht systematisch diese Einrichtungen bei anderen Temperaturen getestet, sie sind jedoch durch dieses Vorresultat ermutigt. Die Erfinder meinen, daß andere Formen von Einkapselungen erforscht werden müssen, wie beispielsweise andere Epoxyharze und Dünnfilmdielektrika wie SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;.
Um nach wie vor für einen sehr niedrigen Metall-Halbleiter- Kontaktwiderstand zwischen dem InAs sowie der Kontakt- und Kurzschlußbrücke-Metallisierung zu sorgen, kann es notwendig sein, die zuvor in Verbindung mit den Figuren 6, 7A und 7B beschriebene Verarbeitungssequenz zu modifizieren. Beispielsweise könnte mit einer Umkehrung der in der vorangegangenen Diskussion erwogenen Maske das Photoresist auf der Oberfläche dann als eine Maske zum Naß-Ätzen (z.B. durch nasse Chemikalien oder reaktive Ionen oder Ionenstrahlen) der Dielektrikum- oder Halbleiterschicht großer Energielücke verwendet werden, um das InAs freizulegen. Au oder andere Metalle könnten dann durch Vakuumverdampfung (oder durch andere herkömmliche Prozesse wie Sputtern oder Elektroplattierung) abgelagert werden, und dann könnte das Photoresist entfernt werden, wodurch sich ein Abheben der unerwünschten Metallbereiche ergibt. Alternativ könnte nach dem Ätzen hindurch zu dem InAs das Photoresist entfernt, Au oder anderes Metall gleichförmig über der Oberfläche abgelagert und dann, nach der Ablagerung des Photoresists, das Maskenmuster in Figur 7A mit dem in das Dielektrikum geätzten Muster ausgerichtet und das Au wie vorher im Muster angeordnet werden.
Als eine zusätzliche Alternative könnte, wenn eine ausreichend dünne Schicht (z.B. 20 Nanometer (200 Angström)) aus einem Halbleiter großer Energielücke vorhanden ist, die beschriebene, ursprüngliche Verarbeitungssequenz durch Ablagerung einer eutektischen Legierung mit niedriger Schmelztemperatur wie beispielsweise Au-Ge, Au-Ge-Ni oder Ag-Sn anstelle von Au modifiziert werden. Nach der Musteranordnung ähnlich der Art und Weise, wie das Au im Muster angeordnet wurde (oder unter Verwendung der Umkehrung der Maske in Figur 7 und des Abhebens), wird die Probe auf eine mittlere Temperatur erwärmt, typischerweise auf irgendwo in dem Bereich von 360ºC bis 500ºC für auf Au-Ge basierende Legierungen, wodurch dem flüssigen Metall gestattet wird, die dünne Schicht aus einem Halbleiter großer Energielücke lokal aufzulösen, und das InAs wirksam kontaktiert wird.
In der jüngsten Arbeit haben die Erfinder die InAs-Wachstumsprozeduren etwas geändert. Die Prozeduren sind die gleichen wie vorher, jedoch wird der InP-Wafer auf 460ºC in einem größeren Arsin-Molenbruch (0,1) erwärmt. Nach 0,5 Minuten bei 460ºC, es wird angenommen, daß in dieser Zeit das ursprüngliche Oxid auf InP desorbiert, wird die Temperatur auf 400ºC gesenkt und InAs mit einer Dicke von 20 Nanometer (200 Angström) ist gewachsen. Die Temperatur wird dann auf die Wachstumstemperatur von 625ºC erhöht (wobei der Arsin- Molenbruch nach wie vor 0,1 beträgt), und dann wird EDMIn eingeführt und dabei der Arsinfluß abrupt auf 5 SCCM (etwa 0,001 Molenbruch) reduziert. Das EDMIn wird auf 50ºC gehalten, und es wird dafür gesorgt, daß der Wasserstoff hoher Reinheit weiterhin dorthindurch blasenförmig mit einer Rate von 75 SCCM verläuft. Wieder scheint der Arsinfluß von 5 SCCM nahezu optimal für diese Wachstumsbedingungen zu sein. Die resultierenden Filme weisen eine etwas gesteigerte Empfindlichkeit für ein Magnetfeld bezüglich derjenigen auf, die früher wachsengelassenen wurden.
Während sich die gesamte jüngste Arbeit auf Magnetoresistoren konzentriert hat, die aus InAs-Filmen auf halbisolierenden (d.h. im wesentlichen elektrisch isolierenden) InP- Substraten hergestellt wurden, sind die Erfinder der Meinung; daß eine ausgereiftere Wachstumsfähigkeit es gestattet, Filme aus InAs mit nahezu vergleichbarer Qualität ebenso auf halbisolierenden GaAs-Substraten wachsenzulassen. In beiden Fällen können sich andere Wachstumstechniken wie Molekularstrahlepitaxie, Flüssigphasenepitaxie oder Chloridtransportdampfphasenepitaxie auch als nützlich erweisen.
Die vorstehend erwähnten Indiumarsenid- (InAs-)Dünnfilmeinrichtungen, Herstellungsprozesse und Betriebscharakteristiken sind in einer separaten europäischen Patentanmeldung Nr. 0 375 108 A auf der Grundlage der USSN 289,634 beschrieben und beansprucht, die gleichzeitig mit dieser Patentanmeldung eingereicht wird.
Andererseits denken die Erfinder, daß das Vorhandensein dessen, was eine natürlich auftretende Akkumulationsschicht in den vorstehend erwähnten Dünnfilm-InAs-Magnetoresistoren sein kann, das ist, was dafür sorgt, daß sie so gut arbeiten, und was die Herstellung einer praktischen Einrichtung ermöglicht. Die Erfinder glauben, daß dieses fundamentale Konzept neu für Magnetoresistoren ist, und daß dieses Konzept auf vielerlei Wegen erweitert werden kann, nicht nur auf Indiumarsenid, sondern genauso auf andere halbleitende Materialien. In dieser Patentanmeldung wird des weiteren eine Vielfalt von Techniken beschrieben und beansprucht, durch die eine Akkumulationsschicht in der Halbleiterschicht induziert werden kann, und zwar anders als durch ein natürliches Auftreten oder ein inhärentes Auftreten infolge des Herstellungsprozesses.
Die nachfolgende Diskussion beschreibt einige der anderen Möglichkeiten zum Induzieren oder Steigern einer Elektronenakkumulations- oder -inversionsschicht in dünnen InAs-Filmen und in anderen halbleitenden Materialien in Dünnfilmform, um wirksame, hohe Beweglichkeiten zu erlangen. Es gibt drei Grundvorteile bei der Verwendung starker Elektronenakkumulationsschichten in aktiven Magnetoresistorregionen. Es wird hier wiederholt, daß der Begriff "Elektronenakkumulationsschicht", wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird, auch dazu gedacht ist, Elektroneninversionsschichten mit einzuschließen.
Erstes können Elektronenakkumulationsschichten oder starke Elektroneninversionsschichten eine Elektronendichte enthalten, die signifikant größer ist als die intrinsische Dichte bei irgendeiner gegebenen Temperatur. Dies muß die Temperaturstabilität verbessern, da die thermisch angeregten Träger einen kleinen Bruchteil der akkumulierten oder stark invertierten Träger darstellen.
Zweitens steigern Akkumulationsschichten die Beweglichkeit der Träger im Halbleiter. Dieser Effekt ist experimentell in dünnen Indiumarsenid- (InAs-)Filmen beobachtet worden, besonders bei höheren Temperaturen. Sie steigern die Empfindlichkeit des Magnetoresistors. Eine mögliche Ursache dieses Effekts kann sein, daß in derartigen akkumulierten oder stark invertierten Schichten große Elektronendichten ohne das Vorhandensein einer großen Dichte ionisierter Verunreinigungen in der gleichen räumlichen Region erzielt werden können, welche die Trägerbeweglichkeit begrenzen würde. Dieser Effekt ähnelt der "Modulationsdotierung" von Schichten, beschrieben von G. Burns in Solid State Physics, Seiten 726-747, Academic Press (1985). Ein derartiger Effekt wird bei der Herstellung von Transistoren hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) verwendet.
Drittens befinden sich Akkumulations- oder starke Inversionsschichten von Natur aus nahe der Oberfläche oder Grenzfläche eines Halbleiters. Dies macht es relativ einfach, diese Akkumulations- oder starken Inversionsschichten durch die Verwendung von Dünnfilmstrukturen, die auf der Oberseite des Halbleiters abgelagert sind, zu induzieren, zu steigern oder zu steuern, und zwar möglicherweise in Kombination mit Vorspannungen.
Akkumulationsschichten sind in Silizium-MOSFET-Hall-Platten verwendet und von H. P. Baltes et al. in Proc. IEEE, 74, Seiten 1107-1132, speziell Seiten 1116-7, (1986) beschrieben worden. In den MOSFET-Halleffekt-Einrichtungen wurde eine vorgespannte Gate-Elektrode in einem Metall-Oxid-Halbleiter dazu verwendet, eine geeignet dünne Elektronenschicht nahe des Halbleiter-Oxid-Übergangs zu erzeugen. Vier Elektroden wurden dann verwendet, um diese Schicht zu kontaktieren: ein Source- und ein Drain-Anschluß, durch die Strom geführt wird, und zwei Zwischenelektroden, über die die Hall-Spannung erzeugt wird. Des weiteren beschreiben Baltes et al. ibid. auch einen MOSFET mit zerteiltem Drain-Anschluß unter Verwendung eines auf einer Akkumulationsschicht basierenden Sensors mit nur vier Elektroden (ein Source-Anschluß, zwei Drain-Anschlüsse und ein Gate-Anschluß). Einer der Vorzüge eines Magnetoresistors gegenüber einer Halleffekt-Einrichtung ist, daß der Magnetoresistor lediglich zwei Elektroden aufweist. Um dies in dem verbesserten Magnetoresistor-Konzept der vorliegenden Erfindung zu bewahren, schlagen die Erfinder vor, zusammen mit einem wie in Figur 2 beschriebenen Magnetoresistor-Layout, eine Anzahl neuer Wege zur Erzeugung von Akkumulations- oder Inversionsschichten ohne Verwendung extern vorgespannter Gate-Elektroden zu verwenden.
In einer ersten Ausführungsform wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die natürliche Grenzfläche zwischen InAs und Luft dafür bekannt ist, daß sie eine Elektronenakkumulationsschicht in InAs erzeugt. Ein ähnlicher Effekt kann in InSb existieren, und die Technik kann daher auf Dünnfilm-Magnetoresistoren anwendbar sein, die mit diesem Halbleitermaterial hergestellt sind. Die Erfinder würden jedoch nicht erwarten, daß derartige Einrichtungen ebensogut wie InAs bei sehr hohen Temperaturen arbeiten. Die sehr kleine Energielükke von InSb (siehe Tabelle I) würde die thermische Erzeugung von Trägern verursachen, die eine erhöhte Leitfähigkeit in dem InSb-Film benachbart der Akkumulationsschicht erzeugen würden, wodurch die Leitfähigkeit der Akkumulationsschicht zu einem relativ kleinen Bruchteil der Gesamt-Einrichtungsleitfähigkeit gemacht werden würde. Somit wären die Vorteile der Akkumulationsschicht bei einer niedrigeren Temperatur in InSb als in InAs größerer Energiebandlücke verloren. Die Erfinder ließen experimentell eine 2,3 Mikrometer dicke Epitaxialschicht aus InAs auf einem isolierenden InP-Substrat wachsen, und zwar unter Verwendung der organisch-chemischen Metalldampfablagerung (MOCVD). Hall- und Magnetoresistenz- Messungen auf der Schicht in dem Temperaturbereich von 350ºK bis 0,5ºK und in Magnetfeldern bis zu 7 Tesla zeigen das Vorhandensein von wenigstens zwei "Typen" von Trägern in ungefähr gleichen Konzentrationen, jedoch mit sehr unterschiedlichen Beweglichkeiten (um einen Faktor von 2 bis 3). Zurückschauend ist es angesichts der zuvor erwähnten Wieder-Veröffentlichung gerechtfertigt anzunehmen, daß einer von ihnen die sich nahe der Luftgrenzfläche befindende Akkumulationsschicht ist. Die Erfinder bauten 2 mm lange, 5 mm breite Magnetoresistoren aus diesem Film, die eine sehr nützliche Magnetfeldempfindlichkeit entwickelten und dabei eine gute Temperaturstabilität beibehielten (siehe Fig. 3, 4 und 5). Die Erfinder glauben, daß es möglich ist, diese Empfindlichkeit nach dem Bedecken der InAs-Oberfläche mit einem geeigneten Einkapselungsüberzug (z.B. ein Epoxyharz oder anderes dielektrisches Material) zu bewahren.
In einer zweiten Ausführungsform kann eine Abdeckschicht aus einem Halbleiter großer Lücke wie GaAs, InP, AlSb oder In1-yAlyAs auf der Oberseite des Aktivschichthalbleiters schmaler Lücke (typischerweise InAs oder In1-xGaxAs mit 0 < x < 0,5, obwohl eine ähnliche Struktur unter Verwendung von InSb denkbar ist) wachsengelassen werden. In diese Abdeckschicht bringen die Erfinder Verunreinigungen vom Donatortyp wie Si, Te, Se oder S. Diese lösen ein Elektron, das in der Schicht landet, wo es eine minimale Energie besitzt, d.h. dem Halbleiter schmaler Lücke. Dies hinterläßt eine Schicht positiv ionisierter Donator-Verunreinigungen in der Abdeckschicht großer Lücke; jedoch sind sie räumlich von den Elektronen in der aktiven Schicht entfernt und streuen daher nicht signifikant an ihnen.
In einer dritten Ausführungsform schlagen die Erfinder vor, eine Schicht aus Metall auf der Oberseite der aktiven Einrichtungsregion zwecks Erzeugung einer Schottky-Barriere abzulagern. Eine Darstellung der Elektronenenergieniveaus benachbart des Metall-Halbleiter-Übergangs in dieser dritten Ausführungsform ist in Figur 9 gezeigt. In Figur 9 ist zu erkennen, daß es eine Verarmung der obersten Region des aktiven Halbleiters schmaler Lücke gibt. Wenn die aktive Schicht dünn genug ist (100-200 Nanometer (1000-2000 Angström)), werden dadurch Elektronen in der aktiven Schicht zum Substrat hin eingeschlossen, was elektrische Eigenschaften ähnlich denjenigen einer Akkumulationsschicht zur Folge hat. Metalle, die im allgemeinen Schottky-Barrieren zu III-V-Verbindungen bilden, wie beispielsweise Au oder Al, können nützlich sein, obwohl die Erfinder diese Struktur noch nicht angemessen experimentell studiert haben.
In einer vierten Ausführungsform schlagen die Erfinder vor, auf der aktiven Schicht eines Halbleiters schmaler Lücke eine Schicht aus einem Halbleiter großer Lücke oder aus einem Dielektrikum wie SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; und auf der Oberseite davon eine Gate-Elektrode abzulagern. Eine Elektronenenergie-Darstellung, die durch die Schichten an den relevanten Grenzflächen hindurchgeht, ist in Figur 10 gezeigt. Das Metall der Gate-Elektrode in Figur 10 kann so gewählt werden, daß es eine Akkumulationsregion nahe des Halbleiter-Dielektrikum-Übergangs induziert, und zwar durch Wirkung der Differenz zwischen der Elektronenaffinität im Halbleiter und der Arbeitsfunktion bzw. Austrittsarbeit im Metall. Im Gegensatz dazu kann ein unterschiedliches Metall mit größerer Austrittsarbeit verwendet werden, um den Halbleiter-Dielektrikum-Übergang zu verarmen und elektrostatisch die Elektronen nahe dem Substrat einzuschließen, etwa wie in der vorstehend erwähnten dritten Ausführungsform.
In einer fünften Ausführungsform wird ein Film geringfügig vom p-Typ wachsengelassen (typischerweise dotiert mit Zn, Cd, Mg, Be oder C). Im Fall von InAs würde die Oberfläche, so glauben die Erfinder, nach wie vor eine stark entartete Elektronenschicht aufweisen, jedoch wäre es eine Inversionsschicht. Eine derartige Inversionsschicht würde eine große Elektronendichte nahe der Oberfläche und dann eine relativ dicke (typischerweise 0,1 mm bis 1 mm oder mehr, in Abhängigkeit von der Dotierungsdichte) Region sehr niedriger Trägerdichte aufweisen, ähnlich der Raumladungsregion eines n+/p-Übergangs. Dies könnte auf vorteilhafte Weise dazu verwendet werden, die Leitfähigkeit des Films benachbart der Elektronenschicht starker Inversion zu reduzieren. Bei sehr hohen Einrichtungsbetriebstemperaturen würde die intrinsische Trägerdichte von Halbleitern schmaler Energielücke wie InAs dazu neigen, diese Strategie etwas zu vereiteln, und andere Halbleiter größerer Energielücke wie In1-xGaxAs könnten bevorzugt werden (siehe Tabelle I). In0,53Ga0,47As ist ein spezieller Fall, da es an halbisolierende InP-Substrate gitterangepaßt werden kann. Dies macht es leichter, derartige Filme mit hoher kristalliner Qualität wachsenzulassen.
Die vorstehend erwähnten Akzeptordotierungen (d.h. Zn, Cd, Mg, Be und C) weisen kleine Aktivierungsenergien in den interessierenden III-V-Verbindungen auf (siehe Tabelle 1). Jedoch gibt es andere Akzeptordotierungen mit relativ großen Aktivierungsenergien, wie Fe, in In0,53Ga0,47As. Dies bedeutet, daß eine relativ große thermische Energie erforderlich ist, um das Eisen zur Ionisation zu bringen und ein Loch zur Leitung beizutragen. Jedoch wird das Eisen eine Konzentration von Donatorverunreinigungen, die regelmäßig in dem Material vorhanden sind, kompensieren, so daß sie nicht Elektronen zum Leitungsband beisteuern. Dotieren dieses Materials mit Eisen sorgt daher dafür, daß es dazu neigt, eine hohe Widerstandsfähigkeit aufzuweisen, außer in der elektronenreichen Akkumulationsschicht. Es wäre in diesem Fall wünschenswert, eine dünne, undotierte In0,53Ga0,47As-Schicht (z.B. 0,1 Mikrometer dick nach Korrektur von Eisendiffusionseffekten) auf der Oberseite der eisendotierten Schicht wachsenzulassen, um die höchstmögliche Elektronenbeweglichkeit und -dichte in der Akkumulationsschicht zu erhalten. Es wird jedoch bemerkt, daß das Auffinden geeigneter Dotierungen mit großen Aktivierungsenergien für halbleitende Materialien kleinerer Bandlücke möglicherweise nicht durchführbar ist. Des weiteren könnten die anderen, vorstehend diskutierten Ausführungsformen auch in Verbindung mit dieser einen vorteilhaft verwendet werden, um die Leitfähigkeit des Films benachbart der Region hoher Elektronendichte zu reduzieren.
Die Betonung der vorstehenden Diskussion lag auf Elektronenakkumulations- oder -inversionsschichten. Lochakkumulationsoder -inversionsschichten könnten ebenfalls verwendet werden. Jedoch werden Elektronen gewöhnlich als Stromträger in Magnetoresistoren bevorzugt, da sie höhere Beweglichkeiten in den in Tabelle I gezeigten Materialien aufweisen.
Die Erfinder denken, daß diese Magnetoresistortypen besonders attraktiv für Automobilanwendungen als ein Teil von Linear- oder Rotationspositionsmeßsystemen sind. Die Empfindlichkeit für ein Magnetfeld und die hohe thermische Stabilität dieser Sensoren wären besonders nützlich, wenn sie in Kombination mit einem optimierten Magnetschaltkreis verwendet werden würden, der in der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 357 200A auf der Grundlage von USSN 229,396 beschrieben ist. Es wird davon ausgegangen, daß die Wahl des vorstehend beschriebenen Magnetoresistorsensortyps besonders nützlich in dem in dieser ebenfalls anhängigen Patentanmeldung beschriebenen Magnetschaltkreistyp ist. Die Erfinder glauben, daß ihre Erfindung die magnetische Empfindlichkeit von Magnetoresistoren steigert, die aus einer großen Vielfalt von Materialien hergestellt sind. Viele dieser Materialien erzeugen möglicherweise nicht Sensoren mit hoher magnetischer Empfindlichkeit, um auf die übliche Weise nützlich zu sein. Jedoch kann sich ihre magnetische Empfindlichkeit bis zu höheren Temperaturen erstrecken, wo Materialien hoher magnetischer Empfindlichkeit nicht nützlich sind. Jedoch glauben die Erfinder, daß dieser Magnetschaltkreistyp so wirksam beim Konzentrieren des Magnetfeldes ist, daß die weniger empfindlichen Magnetoresistoren nach wie vor gut genug arbeiten, um nützlich zu sein. Zusätzlich würden sie einen Gebrauch bei ausgesprochen höheren Temperaturen gestatten. In jedem Fall wird davon ausgegangen, daß der Gebrauch der Sensoren der vorliegenden Erfindung in einer derartigen Anwendung viele Vorteile schaffen sollte. Eine separate europäische Patentanmeldung Nr. 0 357 199A auf der Grundlage von USSN 289,641 wird gegenwärtig auf diesen letzteren Gebrauch der Sensoren der vorliegenden Erfindung eingereicht.

Claims

1. Ein Sensor vom Magnetoresistor-Typ, der elektrische Ausgangsänderungen in Abhängigkeit von Änderungen in einem angelegten Magnetfeld liefert, wobei der Sensor umfaßt: ein Substrat und einen dünnen Film aus monokristallinem, halbleitenden Material, das auf dem Substrat angeordnet ist, wobei der dünne Film eine seiner Übergangsfläche zum Substrat gegenüberliegende Seite aufweist, der monokristalline, halbleitende dünne Film einen im wesentlichen rechtwinkligen Wahrnehmungsbereich eines gegebenen Leitfähigkeitstyps zum Wahrnehmen eines senkrecht zu dem Film angelegten Magnetfeldes umfaßt, der gegebene Leitfähigkeitstyp-Wahrnehmungsbereich Leiterstreifen aufweist, die entlang seiner gegenüberliegenden langen Kanten angeordnet sind, wodurch sich die Leiterstreifen in einer elektrischen Verbindung geringen Widerstands mit dem Wahrnehmungsbereich befinden; wobei in dem Sensor die elektrischen Ausgangsänderungen selbst dann identifizierbar sind, wenn der Sensor Temperaturen bis zu über 220ºC ausgesetzt ist; das Substrat ein im wesentlichen elektrisch isolierendes, monokristallines Substrat mit einer thermischen Ausdehnungscharakteristik nahe derjenigen des monokristallinen, halbleitenden dünnen Films aufweist; das Substrat eine Kristallgitterkonstante nahe derjenigen des monokristallinen, halbleitenden dünnen Films an der Übergangsfläche aufweist; der monokristalline, halbleitende dünne Film eine Dicke aufweist, die nicht größer als etwa 5 Mikrometer ist, sowie eine gegebene durchschnittliche Stromträgerdichte und eine gegebene durchschnittliche Stromträgerbeweglichkeit aufweist; und eine Akkumulationsschicht in dem dünnen Film sich über den Wahrnehmungsbereich hinweg benachbart der Seite des Films erstreckt, wo die Stromträger vorzugsweise zwischen den Leiterstreifen entlang der gegenüberliegenden Kanten des Wahrnehmungsbereiches fließen können, wobei die Akkumulationsschicht ohne Verwendung extern vorgespannter Gate-Elektroden induziert wird und das Schaffen eines merklichen Anstiegs in der Trägerbeweglichkeit und der Konzentration im halbleitenden Material, einer merklichen Reduzierung der Dicke des Films und einer tatsächlichen Verbesserung der Magnetempfindlichkeit des Films und der Temperatur-Unempfindlichkeit der Magnetempfindlichkeit des Films bewirkt.

2. Ein Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jeder kurzen Kante des rechtwinkligen Wahrnehmungsbereiches etwa 30 % - 50 % der Länge jeder seiner langen Kanten beträgt, die gegebene durchschnittliche Stromträgerdichte nicht signifikant größer als etwa 10¹&sup6; Elektronen pro Kubikzentimeter ist, und die gegebene durchschnittliche Stromträgerbeweglichkeit größer als 10.000 Quadratzentimeter pro Volt pro Sekunde ist.

3. Ein Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Vielzahl der Dünnfilmwahrnehmungsbereiche umfaßt und die Vielzahl von Wahrnehmungsbereichen elektrisch in Reihe geschaltet ist.

4. Ein Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline, halbleitende dünne Film aus einem Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von wenigstens 0,35 Elektronenvolt besteht und einen länglichen Teil aufweist, der längliche Teil eine Vielzahl sukzessiver Wahrnehmungsbereiche umfaßt, jeder sukzessive Wahrnehmungsbereich sich über die Breite des länglichen Teils erstreckt, die Wahrnehmungsbereiche elektrisch in Reihe geschaltet sind, und eine leitfähige Beschichtung sich vollständig über den länglichen Teil zwischen benachbarten Bereichen der sukzessiven Wahrnehmungsbereiche erstreckt, so daß der Leistungsverbrauch des Sensors signifikant reduziert, jedoch die Sensorgröße nicht signifikant vergrößert ist.

5. Ein Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor unverstärkte elektrische Ausgangsänderungen in Abhängigkeit von Änderungen im angelegten Magnetfeld über einen Temperaturbereich von unter 0ºC bis über 300ºC liefert; das Substrat im wesentlichen elektrisch isolierend und monokristallin ist und wenige Kristalldefekte enthält; der im wesentlichen rechtwinklige Wahrnehmungsbereich eine Abmessung entlang seiner kurzen Kanten aufweist, die etwa 30 % - 50 % von derjenigen seiner langen Kanten beträgt; der Film aus monokristallinem, halbleitenden Material im wesentlichen undotiert ist und eine durchschnittliche Elektronendichte von nicht wesentlich mehr als etwa 10¹&sup6; Elektronen pro Kubikzentimeter und eine durchschnittliche Elektronenbeweglichkeit von mehr als 10.000 Quadratzentimeter pro Volt pro Sekunde aufweist; die Elektronenakkumulationsschicht benachbart der äußeren Oberfläche des halbleitenden Films sich ganz über den Wahrnehmungsbereich zwischen den seine langen Kanten kontaktierenden Leiterstreifen erstreckt, wobei die Akkumulationsschicht eine Elektronendichte, die wenigstens eine Größenordnung höher als die gegebene durchschnittliche Elektronendichte liegt, und eine Elektronenbeweglichkeit aufweist, die signifikant größer als die gegebene durchschnittliche Elektronenbeweglichkeit ist, und die das Schaffen einer magnetischen Empfindlichkeit und eines Betriebstemperaturbereiches bewirkt, als wäre der halbleitende dünne Film scheinbar viel dünner und als hätte er eine viel höhere Elektronendichte und Elektronenbeweglichkeit; und Mittel benachbart der Seite des dünnen Filmes aus monokristallinem, halbleitenden Material vorgesehen sind, um künstliche die Akkumulationsschicht in der Seite des monokristallinen, halbleitenden dünnen Films zu induzieren.

6. Ein Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline dünne Film aus halbleitendem Material einen länglichen Teil aufweist, der längliche Teil eine Vielzahl von sukzessiven Wahrnehmungsbereichen umfaßt, jeder sukzessive Wahrnehmungsbereich sich über die Breite des länglichen Teils erstreckt, die Wahrnehmungsbereiche elektrisch in Reihe geschaltet sind, und eine leitfähige Beschichtung sich vollständig über den länglichen Teil zwischen benachbarten Bereichen der sukzessiven Wahrnehmungsbereiche erstreckt, so daß der Leistungsverbrauch des Sensors signifikant reduziert, jedoch die Sensorgröße nicht signifikant vergrößert ist.

7. Ein Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Wahrnehmungsbereichen eine Vielzahl von über 10 ist und die leitfähige Beschichtung über dem Wahrnehmungsbereich eine Metall-Gate-Elektrode ist, die auf einer dielektrischen Schicht angeordnet ist.

8. Ein Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline Film (22) aus halbleitendem Material etwa 1 - 3 Mikrometer dick und im wesentlichen undotiert ist sowie eine Bandlücke von wenigstens 0,35 Elektronenvolt, eine mittlere durchschnittliche Elektronendichte und eine mittlere durchschnittliche Elektronenbeweglichkeit aufweist; und ein Beschichtungsmittel (60, 62) auf dem freiliegenden Wahrnehmungsbereich der Filmseite vorgesehen ist, um die Akkumulationsschicht in dem dünnen Film zu induzieren und aufrechtzuerhalten.

9. Ein Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Induzieren der Akkumulationsschicht in dem dünnen Film eine Beschichtung auf der Oberfläche ist, wobei die Beschichtung einen diskreten Teil einer Metallschicht über dem Wahrnehmungsbereich umfaßt.

10. Ein Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Vielzahl der dünnen Filmwahrnehmungsbereiche umfaßt, die Wahrnehmungsbereiche elektrisch in Reihe geschaltet sind, und die Beschichtung die Akkumulationsschicht in dem Film ohne Anlegen einer Spannung von einem elektrischen Kontakt mit dem Sensor zusätzlich zu jeweiligen, mit den Wahrnehmungsbereichsleitern ausgeführten elektrischen Kontakten induziert.

11. Ein Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Film einen länglichen Teil aufweist, von dem jedes Ende einen elektrischen Kontakt aufweist, um die Wahrnehmungsbereiche elektrisch in Reihe vorzuspannen, das Substrat ein Widerstandsnetzwerk umfaßt, und das Widerstandsnetzwerk mit den diskreten Teilen der Metallschicht und den elektrischen Kontakten verbunden ist, um gleichzeitig die Metallschichtteile bezüglich ihrer jeweiligen Wahrnehmungsbereiche des Films vorzuspannen, wenn die Wahrnehmungsbereiche vorgespannt sind, und somit gleichzeitig die Akkumulationsschicht in dem Film zu induzieren oder zu steigern.

12. Ein Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmittel zum Induzieren der Akkumulationsschicht in dem dünnen Film eine Elektrodenschicht umfaßt, die Elektrodenschicht über dem Wahrnehmungsbereich angeordnet ist, und die Elektrodenschicht elektrisch vorgespannt ist, wenn ein elektrisches Potential an einen der die langen Kanten des Wahrnehmungsbereiches kontaktierenden Leiter angelegt ist.

13. Ein Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline Film aus halbleitendem Material einen länglichen Teil aufweist, der längliche Teil eine Vielzahl von sukzessiven Wahrnehmungsbereichen umfaßt, jeder sukzessive Wahrnehmungsbereich sich über die Breite des länglichen Teils erstreckt, die Wahrnehmungsbereiche elektrisch in Reihe geschaltet sind, und eine leitfähige Beschichtung sich vollständig über den länglichen Teil zwischen benachbarten Bereichen der sukzessiven Wahrnehmungsbereiche erstreckt, so daß der Leistungsverbrauch des Sensors signifikant reduziert, jedoch die Sensorgröße nicht signifikant vergrößert ist.

14. Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß: ein im wesentlichen elektrisch isolierendes, monokristallines Substrat geschaffen wird; ein nominell undotierter, monokristalliner Film aus einem im wesentlichen gitterübereinstimmenden, halbleitenden Material auf dem Substrat bis zu einer Dicke von weniger als 5 Mikrometer unter Verwendung eines organisch-chemischen Metalldampfablagerungsprozesses abgelagert wird; ein rechtwinkliger Magnetfeldwahrnehmungsbereich auf dem Film definiert wird; ein länglicher Leiter entlang jeder langen Kante des rechtwinkligen Wahrnehmungsbereiches gebildet wird, wodurch Stromträger in den Wahrnehmungsbereich zum Nachweis eines Magnetfeldes injiziert werden können; und der Wahrnehmungsbereich mit wenigstens einer Schicht überzogen wird, um eine in dem Film induzierte Akkumulationsschicht aufrechtzuerhalten.

15. Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 14, bei dem das im wesentlichen gitterübereinstimmende, halbleitende Material auf dem Substrat bis zu einer Dicke von weniger als 3 Mikrometer abgelagert wird, das halbleitende Material eine Bandlücke von wenigstens etwa 0,35 Elektronenvolt und eine gegebene durchschnittliche Trägerkonzentration und eine gegebene durchschnittliche Elektronenbeweglichkeit aufweist; und der Wahrnehmungsbereich mit wenigstens einer Schicht überzogen ist, um die Akkumulationsschicht in dem Wahrnehmungsbereich des Films zu induzieren oder zu steigern.