エレクトロニクス先端融合研究所国立大学法人豊橋技術科学大学 Electronics-Inspired Interdisciplinary Research Institute AlGaN/GaN系磁気センサ及び走査型ホールプローブ顕微鏡の開発小出将太*, Abderrahmane Abdelkader*, サンドゥーアダルシュ** *豊橋技術科学大学電気・電子情報工学専攻, **エレクトロニクス先端融合研究所教授高温用ＡｌＧａＮ/ＧａＮ系磁気センサの開発 4.0 EV Undoped AlGaN spacer n-AlGaN ２次元電子ガス層（2DEG）ホール効果 EF EC Undoped GaN Hall voltage (mV) 本研究室では、多分野に渡って利用される磁気センサの中でもホール素子を中心に、様々な研究・開発を行っている。ホール素子とはホール効果を利用して、外部磁界に比例したホール電圧を出力する磁気センサである。高温用磁気センサの応用として自動車エンジン近傍や人工衛星などの過酷な環境における使用が見込まれており高温用磁気センサの需要が高まっている。ホール素子の材料には主にSi,GaAs,InSbなどが使われているが、これらの材料はバンドギャップが小さいため200 ℃以上での動作が極めて困難である。そのため本研究室では窒化ガリウム(GaN)を使った AlGaN/GaNへテロ構造に着目し、高温でも動作が可能な磁気センサの作製を行っている。 AlGaN/GaN 2DEG AlGaAs/GaAs 2DEG InAsSb QW(30nm) InAsSb QW(100nm) Fitting function y=ax+b ID=10μ A 3.0 2.0 a=0.93 1.0 a=0.34 Sapphire substrate a=0.077 0.0 0.0 Fig.2 AlGaN/GaN ヘテロ接合とエネルギーバンド図＋ L ＋ d VH VH 電極 IB   RH IB end Fig.1 ホール効果幅W、長さL、厚さd、ホール電圧VH 駆動電圧V、電流I、磁束密度B VH 20µm Fig.3 AlGaN/GaNヘテロ構造ホール素子サイズ：5×5µm2 100 M. Bando, T. Ohashi, M. Dede, R. Akram, A. Oral, S. Y. Park, I. Shibasaki, H. Handa, and A. Sandhu, High sensitivity and multifunctional micro-Hall sensors fabricated using InAlSb/InAsSb/InAlSb heterostructures, Journal of Applied Physics, 105, 07E909, (2009). T. Yamamura, D. Nakamura and A. Sandhu, High sensitivity and quantitative magnetic field measurements at 600℃, Journal of Applied Physics, 99, 08B302 (2006). The Supply-current-related sensitivity (SCRS) can be expressed as follows: 1 dVH 1 SI   [VA1T 1 ] I H dB ns e 10 1 本研究の実績 II. AlGaN/GaN 2DEG AlGaAs/GaAs 2DEG InAsSb QW(30nm) InAsSb QW(100nm) 1000 I 1   μ ：電子移動度     RH   end   ρ ：電気抵抗率 V I. 1.5 Magnetic field (kG) ホール電圧と磁界の関係式 W ＋ 1.0 10000 Sensitivity (VA-1T-1) I 0.5 Fig.4 ホール電圧の磁界特性材料の異なる３種類のホール素子の出力比較磁界が導体中を流れる電流に力（ローレンツ力）を及ぼし，その両側に起電力が発生する現象 B a=2.75 0 100 200 Temperature (℃) 300 Fig.5 磁気感度の温度特性材料の異なる３種類のホール素子の出力比較走査方向  m 試料から発生する漏れ磁界約100nm Sample x-axis (mm) T = 160 K Fig.8 SHPMによる鉄ガーネット膜の磁区画像 x-axis (mm) T = 300 K Sensing area 世界最小 50nmホール素子！磁区 Fig.6 走査型ホールプローブ顕微鏡の磁区観測原理磁性材料の表面漏れ磁界を走査・観測 y-axis (mm) y-axis (mm) T = 77 K 圧電素子チューブ Hall probe x-axis (mm) 50nm nano-Hall probe セラミックホルダー y-axis (mm) 磁界可視化を目的とした走査型ホールプローブ顕微鏡（SHPM）近年、磁性材料を用いた技術が急速に発展しており、磁性材料の観察、評価は重要な課題となっている。本研究室では、これまでに磁性材料を観察するために、ホール素子を用いた磁気顕微鏡である走査型ホールプローブ顕微鏡(SHPM)を開発し、低温から室温における磁性材料の磁界の可視化を実現した。現在、ハイブリッド自動車の普及や宇宙開発の促進により、磁性材料が過酷な環境で使用されることが増加し、高温下での磁性材料の観察や磁化特性の評価が求められている。そこで本研究では、高温における磁性材料の局所的な磁界分布を可視化する技術として高温用走査型ホールプローブ顕微鏡（HT-SHPM）の開発を目指している。 I I VH Fig.7 SHPM用ナノホールプローブ（左上）高温SHPM用1μmホール素子（右下）本研究の実績 I. II. T. Ohashi, H. Osawa, A. Sandhu, Contact Mode Scanning Hall Probe Microscopy, IEEE Transactions on Magnetics, 44, 3252, (2008). Z. Primadani, H. Osawa , A. Sandhu, High temperature scanning Hall probe microscopy (HT-SHPM) using AlGaN/GaN 2DEG micro-Hall probes, Journal of Applied Physics, 101, 09K105, (2007). 豊橋技術科学大学エレクトロニクス先端融合研究所〒441-8580 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘1-1 Sandhu研究室連絡先 E-mail : [email protected] HP URL : http://www.sandhu_lab.eiiris.tut.ac.jp/ 400 Fig.9 SHPMによる表面漏れ磁界フジツボ型の磁界強度分布