專利名稱：一種硅基幾何巨磁電阻器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬 于磁場(chǎng)檢測(cè)和磁場(chǎng)傳感器材料以及器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅基幾何巨磁電阻器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
效應(yīng)巨大和磁場(chǎng)響應(yīng)度靈敏的磁致電阻(簡(jiǎn)稱磁電阻)效應(yīng)，作為磁存儲(chǔ)技術(shù)和磁檢測(cè)技術(shù)的核心，一直是磁性存儲(chǔ)工業(yè)界孜孜以求的目標(biāo)，目前開發(fā)并且獲得應(yīng)用的GMR 和TMR效應(yīng)主要是基于磁性金屬材料。Si材料是信息工業(yè)中的主流材料，考慮到Si材料在當(dāng)今信息工業(yè)中的地位，實(shí)現(xiàn)顯著的Si基室溫巨磁電阻器件，可以方便地將Si基磁阻器件與現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)集成，意義重大。2009年，Delmo等人(Nature, 457 (2009) 1112)發(fā)明了純Si基的磁電阻器件。他們的器件實(shí)現(xiàn)了室溫300K以及磁場(chǎng)3T條件下，103%的磁電阻。這個(gè)磁阻數(shù)值比Si中正常的磁電阻大2個(gè)數(shù)量級(jí)。但是該器件的低場(chǎng)磁場(chǎng)靈敏度較低，且器件需要工作在大電壓 (100V級(jí))和大功率(0. IW 1W)的條件下，工業(yè)價(jià)值有限。同年，Schoonus等人(J. Phys. D =Appl. Phys. 42(2009) 185011)亦在純Si中發(fā)現(xiàn)了顯著的磁電阻效應(yīng)，在IT磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了 103%的磁阻。不過和Delmo的情況類似，這種器件的工作電壓和功耗非常大，甚至大于 Delmo 的。除了 Si基巨磁阻電阻材料，其他體系亦能實(shí)現(xiàn)顯著的磁阻特性，且低場(chǎng)靈敏度和功耗都能很低，如Solin等人(Science, 289 (2000) 1530)發(fā)明的InSb/Au結(jié)構(gòu)磁阻。這種結(jié)構(gòu)雖然性能優(yōu)異，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于器件的小型化，而且制備工藝復(fù)雜，原料成本較高。而我們發(fā)明的Si基幾何巨磁阻器件實(shí)現(xiàn)了可與Solin等人設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)磁阻比擬的性能，大的磁阻性能(7T條件下，105%的磁阻)以及優(yōu)異的低場(chǎng)靈敏度(0. 2T條件下，102% 的磁阻)。這個(gè)性能也比Delmo和Schoonus等人設(shè)計(jì)的器件擁有更高的磁阻數(shù)值，而且我們的器件還工作在更低的電壓范圍(10V左右)內(nèi)且功耗更低(ImW級(jí))，擁有更好的實(shí)用化前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅基幾何巨磁電阻器件及其制備方法。一種硅基幾何巨磁電阻器件，該硅基幾何巨磁電阻器件在單晶Si (100)基片表面設(shè)置氧化層，在氧化層上設(shè)有4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形。其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距用Lc表示，在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距用Wc表示，兩間距的比值大于等于5，即LcZWc彡5。本發(fā)明所說的間距是指兩電極相向的側(cè)面之間的距離。在L。/Wc彡5時(shí)，才能使磁阻性能得到顯著的提高。電極的幾何配置為矩形，是指每個(gè)電極作為矩形的頂點(diǎn)，4個(gè)電極形成一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)。
4個(gè)電極中，其中2個(gè)用于連接電流源，另外2個(gè)用于連接電壓表。所述氧化層厚度在0. 5nm 5nm之間。所述氧化層可以是SiO2, Al2O3, MgO等。所述的電極采用高純軟金屬。 所述高純是指純度大于99. 9wt%。所述的軟金屬包括金屬銦In和金屬Al等。所述Si (100)基片η型Si基片，電阻率需大于100 Ω · cm。所述Si (100)基片的少子壽命需要大于10 μ s。一種上述硅基幾何巨磁電阻器件的制備方法，該方法包括如下步驟(1)將η型Si(IOO)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)條狀；(2)在Si基片的表面沉積一層氧化層或者氧化生成一層氧化層，(3)將高純軟金屬沉積或者壓制電極于長(zhǎng)條狀單晶Si(IOO)基片的四個(gè)角上，得到硅基幾何巨磁電阻器件。上述方法中，所述氧化層的厚度在0.5nm到5nm之間。氧化生成SiO2氧化層可采用如下步驟，將純Si片于室溫大氣條件下長(zhǎng)期放置，時(shí)間大于lh，即得SiO2氧化層。步驟(3)中，可在壓制完電極后，將器件置于加熱臺(tái)上在300°C 350°C下加熱 IOmin 20min，然后自然冷卻至室溫，得到硅基幾何巨磁電阻器件。加熱處理可使得電極與氧化層的連接更牢固。所屬的軟金屬包括金屬銦(In)和金屬(Al)等。本發(fā)明的有益效果為1、所得到的器件在溫度300K，磁場(chǎng)7T，測(cè)試電流為0. 22mA條件下，器件的磁阻可以達(dá)到105%量級(jí)；在溫度300K，磁場(chǎng)0. 5T，測(cè)試電流0. 225mA條件下，它的磁電阻依然可以維持在103%量級(jí)，具有很好的高場(chǎng)磁阻特性。2、所得到的這種基于金屬銦和單晶硅的器件，磁電阻數(shù)值比普通硅大4個(gè)數(shù)量級(jí)，磁電阻數(shù)值也遠(yuǎn)大于商用GMR和TMR材料。所得到的器件在小磁場(chǎng)0. 2T下，依然能呈現(xiàn)100%的磁阻大小，具有很高的低磁場(chǎng)靈敏度。3、所得到的器件工作在IOV和0. 2mA左右，因此功率在2mW級(jí)別。4、該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原材料價(jià)格適中，且環(huán)境友好。制備工藝簡(jiǎn)單，是一種優(yōu)異的磁場(chǎng)傳感器且在磁盤讀頭領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。


圖1為硅基幾何巨磁電阻器件及其磁電阻性能測(cè)試的示意圖；圖2為實(shí)施例1硅基幾何巨磁電阻器件磁阻與高磁場(chǎng)依賴特性；圖3為實(shí)施例2硅基幾何巨磁電阻器件磁阻與低磁場(chǎng)依賴特性。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例1制備硅基幾何巨磁電阻器件
(1)將電阻率為3000 Ω · cm的η型Si (100)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 7mm，寬W = 3mm的長(zhǎng)條狀。(2)將長(zhǎng) 條狀η型Si (100)基片于室溫大氣條件下放置3h，在Si基片的表面氧化生成一層SiO2氧化層；(3)再用高純軟金屬Ιη(>99·9%)壓制電極于長(zhǎng)條狀Si片的四個(gè)角上。電極的尺寸為沿Si片長(zhǎng)度方向0. 5mm，沿Si片寬度方向1.4mm。因此Lc = 6mm，Wc = 0. 2mm。上述參量如圖1中標(biāo)示所示。隨后器件于加熱臺(tái)上在300°C下加熱lOmin，然后自然冷卻至室溫。至此一個(gè)硅基幾何巨磁電阻器件就制備完成了。得到的硅基幾何巨磁電阻器件在單晶Si (100)基片表面設(shè)有SiO2氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距Lc與在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距\的比值為30，即Lc/Wc = 30。其中，氧化層的厚度為1. 6nm。所制備的硅基幾何巨磁電阻器件由TEM(JE0L_2011)進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征；界面結(jié)構(gòu)同樣用TEM(JEM-2011)觀察；IV性能用四電極法由Keithley2400電流電壓表測(cè)量；磁場(chǎng)由超導(dǎo)量子干涉儀提供(SQUID)，磁阻性能在SQUID中用Keithley2400源表測(cè)量。Si表面兩對(duì)相距較近的電極分別用來接恒流源和電壓表，如圖1所示。硅基幾何巨磁電阻器件中，硅表面的本征氧化層為1. 6nm。圖2為本實(shí)施例得到的硅基幾何巨磁電阻器件的室溫磁阻與大磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。 從圖2可以看出，隨著磁場(chǎng)的增加，在某一個(gè)臨界磁場(chǎng)之前，電阻首先緩慢地增加。當(dāng)磁場(chǎng)大于這個(gè)臨界磁場(chǎng)時(shí)，磁阻急劇地增加。而且這個(gè)臨界磁場(chǎng)與測(cè)試電流有關(guān)。隨著測(cè)試電流從0. 12mA增加到0. 22mA，臨界磁場(chǎng)從6T降低為0. 5T。進(jìn)一步增加電流，臨界磁場(chǎng)減為0，因此在0. 25mA以上時(shí)，隨著磁場(chǎng)從OT往正或者負(fù)的方向增加，電阻都迅速地增加。不過此時(shí)高磁場(chǎng)下的磁電阻效應(yīng)較稍小電流的磁電阻有所減小。如在0. 296mA條件下，隨著磁阻從 OT增加到正負(fù)7T，電阻只變化了 1. 5個(gè)數(shù)量級(jí)而在0. 22mA條件下，電阻變化了 4個(gè)數(shù)量級(jí)。 不過即使在很大的電流條件下，如0. 325mA條件，雖然電阻只變化了約5倍(MR ^ 500%), 但是這個(gè)大小的磁電阻已經(jīng)比正常的Si基磁電阻大1個(gè)數(shù)量級(jí)。Si基正常磁電阻，在7T 條件下，為50%左右。性能相關(guān)的附圖針對(duì)實(shí)施例1。測(cè)試示意圖針對(duì)所有實(shí)施例。實(shí)施例2制備硅基幾何巨磁電阻器件(1)將電阻率為3000 Ω · cm的η型Si (100)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 7mm，寬W = 3mm的長(zhǎng)條狀。(2)將長(zhǎng)條狀η型Si (100)基片于室溫大氣條件下放置3h，在Si基片的表面氧化生成一層SiO2氧化層；(3)再用高純軟金屬Ιη(>99·9%)壓制電極于長(zhǎng)條狀Si片的四個(gè)角上。電極的尺寸為沿Si片長(zhǎng)度方向0. 5mm，沿Si片寬度方向1.45mm。因此Lc = 6mm, Wc = 0. 1mm。 上述參量如圖1中標(biāo)示所示。隨后器件于加熱臺(tái)上在300°C下加熱lOmin，然后自然冷卻至室溫。至此一個(gè)硅基幾何巨磁電阻器件就制備完成了。得到的硅基幾何巨磁電阻器件在單晶Si (100)基片表面設(shè)有SiO2氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距Lc與在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距\的比值為60，即Lc/Wc = 60。其中，氧化層的厚度為1. 6nm。用上述方法制備 的硅基幾何巨磁電阻器件，在室溫300K條件下，在IT的磁場(chǎng)下， 其電阻變化也可以達(dá)到10倍以上，磁場(chǎng)靈敏度優(yōu)于已報(bào)道的Si基磁電阻器件性能。在某些電流下，如0. 225mA至0. 250mA條件下，在0. 5T磁場(chǎng)下，即可實(shí)現(xiàn)103 %的磁阻，在0. 2T 磁場(chǎng)下，也可以實(shí)現(xiàn)100%的磁阻大小。這個(gè)大小的低場(chǎng)磁場(chǎng)靈敏度已經(jīng)可以與Solin等人發(fā)明的InSb基磁電阻器件相比擬了。實(shí)施例3制備硅基幾何巨磁電阻器件(1)將電阻率為3000 Ω · cm的η型Si (100)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 7mm，寬W = 3mm的長(zhǎng)條狀。(2)將長(zhǎng)條狀η型Si (100)基片于室溫大氣條件下放置24h，在Si基片的表面氧化生成一層SiO2氧化層；(3)再用高純軟金屬Ιη(>99·9%)壓制電極于長(zhǎng)條狀Si片的四個(gè)角上。電極的尺寸為沿Si片長(zhǎng)度方向0. 5mm，沿Si片寬度方向1.45mm。因此Lc = 6mm, Wc = 0. 1mm。 上述參量如圖1中標(biāo)示所示。至此一個(gè)硅基幾何巨磁電阻器件就制備完成了。得到的硅基幾何巨磁電阻器件在單晶Si (100)基片表面設(shè)有SiO2氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距Lc與在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距\的比值為60，即Lc/Wc = 60。其中，氧化層的厚度為1. 6nm。用上述方法制備的硅基幾何巨磁電阻器件，在室溫300K條件下，在IT的磁場(chǎng)下， 其電阻變化也可以達(dá)到10倍以上，磁場(chǎng)靈敏度優(yōu)于已報(bào)道的Si基磁電阻器件性能。在某些電流下，如0. 210mA至0. 257mA條件下，在0. 5T磁場(chǎng)下，即可實(shí)現(xiàn)IO3%的磁阻，在0. 2T 磁場(chǎng)下，也可以實(shí)現(xiàn)110 %的磁阻大小。實(shí)施例4制備硅基幾何巨磁電阻器件(1)將電阻率為3000 Ω · cm的η型Si (100)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 7mm，寬W = 3mm的長(zhǎng)條狀。(2)將長(zhǎng)條狀η型Si (100)基片于脈沖激光沉積設(shè)備中沉積2. Onm厚度的Al2O3 ；(3)再用高純金屬Al ( > 99.9% )磁控濺射沉積電極于長(zhǎng)條狀Si片的四個(gè)角上。電極的尺寸為沿Si片長(zhǎng)度方向0.5mm，沿Si片寬度方向1.45mm。因此Lc = 6mm，Wc = 0.1mm。上述參量如圖1中標(biāo)示所示。至此一個(gè)硅基幾何巨磁電阻器件就制備完成了。得到的硅基幾何巨磁電阻器件在單晶Si (100)基片表面設(shè)有Al2O3氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距Lc與在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距\的比值為60，即Lc/Wc = 60。其中，氧化層的厚度為2. Onm。用上述方法制備的硅基幾何巨磁電阻器件，在室溫300K條件下，在IT的磁場(chǎng)下， 其電阻變化也可以達(dá)到5倍以上。
實(shí)施例5制備硅基幾何巨磁電阻器件(1)將電阻率為1000 Ω · cm的η型Si (100)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 7mm，寬W = 3mm的長(zhǎng)條狀。

(2)將長(zhǎng)條狀η型Si (100)基片于脈沖激光沉積設(shè)備中沉積2. 5nm厚度的MgO ；(3)再用高純金屬Al ( > 99.9% )磁控濺射沉積電極于長(zhǎng)條狀Si片的四個(gè)角上。電極的尺寸為沿Si片長(zhǎng)度方向0.5mm，沿Si片寬度方向0.90mm。因此Lc = 6mm，Wc = 1.2mm。上述參量如圖1中標(biāo)示所示。至此一個(gè)硅基幾何巨磁電阻器件就制備完成了。得到的硅基幾何巨磁電阻器件在單晶Si (100)基片表面設(shè)有MgO氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距Lc與在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距Wc的比值為5，即Lc/Wc = 5。其中，氧化層的厚度為2. 5nm。用上述方法制備的硅基幾何巨磁電阻器件，在室溫300K條件下，在IT的磁場(chǎng)下， 其電阻變化也可以達(dá)到8倍以上。而且我們發(fā)明的器件的工作電壓大約為IOV左右，工作功率為ImW量級(jí)。器件結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單。從制備工藝角度講，器件的整個(gè)制造過程非常簡(jiǎn)單，原材料來源豐富，環(huán)境友好。因此這種器件在磁場(chǎng)傳感 器和磁盤讀頭領(lǐng)域有很好的潛在應(yīng)用前景。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于該硅基幾何巨磁電阻器件在單晶 Si (100)基片表面設(shè)有氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極，4個(gè)電極的幾何配置為矩形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)電極之間的間距用Lc表示，在寬度方向上的兩個(gè)電極之間的間距用Wc表示，兩間距的比值大于等于5，即Lc/Wc彡5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于所述氧化層的厚度在 0. 5nm 5nm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于所述氧化層為SiO2層， Al2O3層或者為MgO層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于所述的電極采用高純軟金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于所述的軟金屬為金屬銦(In)或者金屬鋁(Al)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于所述Si(100)基片為η 型Si基片，電阻率大于100 Ω · cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基幾何巨磁電阻器件，其特征在于所述Si(100)基片的少子壽命需要大于10 μ S。
8.權(quán)利要求1至7任意一個(gè)權(quán)利要求所述的硅基幾何巨磁電阻器件的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)將η型Si(100)基片用酒精漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)條狀；(2)在Si基片的表面沉積一層氧化層或者氧化生成一層氧化層；(3)將高純軟金屬沉積或者壓制電極于長(zhǎng)條狀單晶Si(IOO)基片的四個(gè)角上，得到硅基幾何巨磁電阻器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于步驟(2)中，氧化生成氧化層采用如下步驟，將純Si片于室溫大氣條件下長(zhǎng)期放置，時(shí)間大于lh，即得SiO2氧化層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于步驟(3)中，壓制完電極后，將器件置于加熱臺(tái)上在300°C 350°C下加熱IOmin 20min，然后自然冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于磁場(chǎng)檢測(cè)和磁場(chǎng)傳感器材料以及器件技術(shù)領(lǐng)域的一種硅基幾何巨磁電阻器件及其制備方法。該硅基巨磁阻器件在單晶Si(100)基片表面設(shè)有氧化層，在氧化層上設(shè)置4個(gè)電極。4個(gè)電極的幾何配置為矩形。制備時(shí)將n型Si基片用酒精漂洗干凈后裁剪，在Si基片的表面沉積一層氧化層或者氧化生成一層氧化層，然后將高純軟金屬沉積或者壓制電極于帶有氧化層的長(zhǎng)條狀單晶Si基片的四個(gè)角上。電極制作完成后，得到硅基幾何巨磁阻器件。所得到的器件在小磁場(chǎng)0.2T下，依然能呈現(xiàn)100％的磁阻大小，具有很高的低磁場(chǎng)靈敏度。制備工藝簡(jiǎn)單，是一種優(yōu)異的磁場(chǎng)傳感器且在磁盤讀頭領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L43/08GK102185100SQ20111009383
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者萬蔡華, 吳利華, 王集敏, 章曉中, 高熙禮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)