一種硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件及制備與性能測試方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于磁場檢測和磁場傳感器材料以及器件技術領域，特別涉及一種基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件及其制備與性能測試方法。
【背景技術】
[0002]效應顯著和磁場靈敏度高的磁致電阻(簡稱磁電阻)效應，作為磁存儲和磁傳感技術的核心，在磁盤讀出磁頭、電子指南針、運動部件監(jiān)測等方面都有廣闊的應用前景，因此它一直是工業(yè)界孜孜以求的目標。目前商用的磁傳感器件主要是基于GMR和TMR效應的磁性金屬多層膜材料或者半導體基的Hall元件。相對于后者，前者擁有更好的低磁場靈敏度，但是因為金屬材料和主流半導體硅材料不兼容，因此這些靈敏的磁傳感器很難集成到硅工藝中；而后者雖然不存在材料相容性問題，但是Hall元件的磁場靈敏度較低，這極大地限制了它的應用范圍?？紤]到Si材料在當今信息工業(yè)中的地位，因此設計具有顯著的低場靈敏度的Si基巨磁電阻器件，不僅能集成磁傳感功能至傳統(tǒng)的電路中，甚至可能推動傳統(tǒng)的硅電子學向磁電子學的升級，意義重大。
[0003]最近幾年內(nèi)，諸多研究者正嘗試著設計這種硅基的磁傳感器件。2009年，日本科學家Delmo等人[Nature，457 (2009) 1112]發(fā)明了一種純Si基的磁電阻器件。他們的器件實現(xiàn)了 300K以及磁場3T條件下，103%的磁電阻效應。但是該器件的低場磁場靈敏度依然較低，且器件需要在大的電壓(100V量級)和大的功率(0.1W?1W)條件下工作，商業(yè)應用價值有限。2011年，萬蔡華等人[Nature，477 (2011) 304]發(fā)明了一種基于二極管的磁電阻磁傳感器件，可以工作在更低的電壓范圍內(nèi)(低于1V左右)，且能在更低功耗(低于ImW級)下實現(xiàn)比較大的磁電阻。但是這種磁傳感器需要外接一個二極管，器件小型化困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件及其制備與性能測試方法。具體方案如下:
[0005]一種硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件，包括Si單晶基片、重摻雜區(qū)域和外電極；其中Si單晶基片的摻雜濃度小于116Cm 3，電阻率大于0.1 Ω.Cm ;重摻雜區(qū)域的摻雜濃度大于 116Cm 3。
[0006]優(yōu)選地，Si單晶基片的迀移率對于η型硅，達到0.lm2/Vs ;對于P型硅，達到0.04m2/Vso
[0007]優(yōu)選地，重摻雜區(qū)域的摻雜方式為η型摻雜或P型摻雜。
[0008]優(yōu)選地，外電極為金屬In、Al、Ga、Au、Ti，或者多晶Si。
[0009]一種硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件的制備方法:將重摻雜區(qū)域和兩個外電極制作于Si單晶基片的表面。
[0010]優(yōu)選地，先在Si單晶基片的表面形成重摻雜區(qū)域，再在重摻雜區(qū)域上面沉積外電極。
[0011]上述硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件的性能測試方法:將兩個外電極分別連接到電壓源的正負極，用兩電極法測量磁電阻變化。
[0012]進一步，測量兩個外電極所得到的電流電壓特性呈現(xiàn)出S型電流控制的微分負電導現(xiàn)象，所形成的微分負電導區(qū)域可以被磁場調(diào)控，發(fā)生移動。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:所得到器件在溫度300K，磁場0.05T，采用電壓源測試，測試電壓〈5V的條件下，器件的磁阻可以達到1，000%量級；這個巨大磁阻源自于電流控制的微分負電導導致的電阻變化。這種基于重摻雜區(qū)、單晶硅和金屬電極的器件，其同磁場下(0.05T)磁電阻數(shù)值比普通的硅磁阻大5個數(shù)量級，磁電阻數(shù)值也遠大于商用GMR和TMR材料。這種器件在低磁場能呈現(xiàn)顯著的磁電阻效應，在0.05T磁場下呈現(xiàn)出1，000%的磁電阻，具有很高的低磁場靈敏度。該器件還具有價格低廉，制備工藝簡單等優(yōu)點，是一種優(yōu)異的磁場傳感器，在磁盤讀出磁頭、電子指南針、運動裝置監(jiān)測等領域有潛在應用。
【附圖說明】
[0014]圖1為基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件結(jié)構圖；
[0015]圖2為基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件磁電阻測量配置示意圖；
[0016]圖3為基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件電學測量測試結(jié)果圖；
[0017]圖4為基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件磁電阻測量測試結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0019]圖1所示為基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件結(jié)構圖，圖2為基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件磁電阻測量配置示意圖，其中各標號表示:100-基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件，1l-Si單晶基片，102-重摻雜區(qū)域，103-外電極，104-電壓表，105-電壓源，106-磁場。
[0020]制作基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件100(如圖1)，需要先用標準的半導體RCA清洗流程清洗電阻率為3000 Ω.cm的η型Si (100)單晶基片101表面，然后在上面用PECVD的方法沉積200nm厚度的S12薄膜，用光刻的辦法在上面刻蝕出20 μ mX 20 μ m的電極窗口，電極窗口的間距為10 μ m。接著分多次用離子注入的辦法在Si片表面注入P，形成重摻雜區(qū)域102。最后用電子束沉積的辦法在重摻雜區(qū)域上先后沉積Ti和Al，并在300°C下合金化，形成外電極103。至此，一個基于微分負電導現(xiàn)象的娃基低磁場巨磁阻磁傳感器件100就制備完成了。
[0021]測試基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件100的磁電阻性能，需要如圖2所示，外接一個電壓源105和電壓表104，測量中磁場106以與Si基片表面垂直的方向均勻地加載在磁傳感器件100上。
[0022]從磁傳感器件100的電學測量結(jié)果(如圖3)可以發(fā)現(xiàn)，電流-電壓曲線在4V左右有一個因為S型微分負電導現(xiàn)象引起的跳躍，這個跳躍可以產(chǎn)生電壓控制的電阻變化。加磁場后，這個跳躍電壓會增加(如圖4)，可以在跳躍電壓區(qū)間內(nèi)得到巨大的磁電阻
(>1,000% ) ο
[0023]以上所述僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件，其特征在于，包括Si單晶基片、重摻雜區(qū)域和外電極；其中Si單晶基片的摻雜濃度小于116Cm 3，電阻率大于0.1 Ω.Cm ;重摻雜區(qū)域的摻雜濃度大于116Cm 3O2.根據(jù)權利要求1所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件，其特征在于，所述Si單晶基片的迀移率對于η型娃，達到0.lm2/Vs ;對于p型娃，達到0.04m2/Vso3.根據(jù)權利要求1所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件，其特征在于，所述重摻雜區(qū)域的摻雜方式為η型摻雜或P型摻雜。4.根據(jù)權利要求1所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件，其特征在于，所述外電極為金屬In、Al、Ga、Au、Ti，或者多晶Si。5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件的制備方法，其特征在于，將重摻雜區(qū)域和兩個外電極制作于Si單晶基片的表面。6.根據(jù)權利要求5所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件的制備方法，其特征在于，先在Si單晶基片的表面形成重摻雜區(qū)域，再在重摻雜區(qū)域上面沉積外電極。7.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件的性能測試方法，其特征在于，將兩個外電極分別連接到電壓源的正負極，用兩電極法測量磁電阻變化。8.根據(jù)權利要求7所述的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件的性能測試方法，其特征在于，測量兩個外電極所得到的電流電壓特性呈現(xiàn)出S型電流控制的微分負電導現(xiàn)象，所形成的微分負電導區(qū)域可以被磁場調(diào)控，發(fā)生移動。
【專利摘要】本發(fā)明屬于磁場檢測和磁場傳感器材料以及器件技術領域，特別涉及一種基于微分負電導現(xiàn)象的硅基低磁場巨磁阻磁傳感器件及其制備與性能測試方法。該器件用離子注入的方法，在Si單晶基片上形成一定濃度的重摻雜區(qū)域，再用沉積金屬薄膜的方法引出兩個電極而制成。所得到的器件可以產(chǎn)生巨大磁阻，該磁阻源于電流控制的微分負電導導致的電阻變化。這種器件在低磁場能呈現(xiàn)顯著的磁電阻效應，具有很高的低磁場靈敏度。該器件還具有價格低廉，制備工藝簡單等優(yōu)點，是一種優(yōu)異的磁場傳感器，在磁盤讀出磁頭、電子指南針、運動裝置監(jiān)測等領域有潛在應用。
【IPC分類】H01L21/66, H01L43/12, H01L43/08
【公開號】CN105047814
【申請?zhí)枴緾N201510289849
【發(fā)明人】章曉中, 羅昭初, 樸紅光, 陳嬌嬌, 熊成悅
【申請人】清華大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年5月29日