[发明专利]一种硅基异质PN结构几何巨磁阻器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于场效应检测和传感器材料以及相关器件技术领域，特别涉及磁检测和磁控器件技术及其制备技术领域。

背景技术

1988年，鉴于Fert和Grünberg发现巨磁电阻(GMR)效应且对自旋电子学和纳米科学做出的巨大贡献而获得了诺贝尔物理学奖。巨磁阻效应作为磁检测和磁传感领域的核心技术之一，在磁存储和磁控技术上得到了飞速的发展。然而，当磁性材料器件的尺寸达到纳米尺度时，由于超顺磁现象而影响自身磁化强度，这对依赖于磁化强度的磁阻器件来讲是致命缺点之一。为了符合纳米级超高集成化的要求，人们寻找着能够取代磁性材料的磁电阻材料。硅(Si)作为当今信息工业的主流材料，它的资源非常丰富其制作工艺非常成熟。而且，在室温下可以实现显著的磁电阻响应[PRL 100(2008)127202]，这对Si为基础的半导体工业来讲是一个值得惊喜的大发现。不仅如此，Si又作为非磁性材料对纳米级超高集成化发展有着深远的发展前景。

2009年，Delmo等人[Nature 457(2009)1112]在纯Si基器件上发现了巨大磁电阻现象。他们在室温(300K)、3T磁场下，实现了1000％左右的磁电阻变化。同年，Schoonus等人[J.Phys.D：Appl.Phys.42(2009)185011]亦在纯Si器件中发现了显著的磁电阻效应，在室温下可以实现1000％的磁阻响应。然而，这些器件不仅在低磁场下灵敏度较低而且所需工作功率(0.1W～1W)较大，暂时无法满足实际工业应用需求。

在非磁性材料磁电阻现象研究上，除了Si基巨磁电阻材料外，在其他体系中也发现了显著的磁电阻现象。Solin等人[Science，289(2000)1530]在InSb/Au结构上实现了磁电阻现象。这种结构不仅具有较低磁场下的灵敏度而且其功耗较低，具备了优异的磁电阻性能。然而，该器件的结构和制备工艺复杂况且原料成本较高，不利于实际工业的应用和实现超高集成化的目的。鉴于以上现况，我们提出了可与Solin等人设计的结构磁阻器件相比拟的Si基几何巨磁阻器件。考虑到该Si基器件的几何形状对磁电阻效应的影响，该器件有着可实现更加优异磁电阻性能的潜力。如在常温、1.2T磁场作用下，可实现约3000％的磁电阻效应，甚至在0.06T磁场作用下，也达到5％以上的稳定磁电阻效应。这种设计的器件不仅比Delmo和Schoonus等人设计的器件拥有更高的磁电阻性能，而且由于该器件的功耗可达到μW级比我们以前公开的纯Si基几何巨磁电阻器件能耗上更加优越。我们认为Si基几何巨磁阻器件已具备了工业实用化要求且具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为磁检测及测控技术领域提供一种高效的巨磁阻器件及其简单的制备方法。

1、一种硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，该巨磁阻器件是p型和n型两种Si(100)基片通过金属键合(金属压焊或熔焊)而成的串联型PN结构；根据结构可制备成层状或侧联型硅基异质PN结构(如图1所示)，对于层状硅基异质PN结构，p型和n型Si基片的一面通过金属键合对齐相接得到层状硅基异质PN结构，在层状硅基异质PN结构的上下表面上，各自设置2个电极共4个电极，这4个电极要上下左右相互对齐；对于侧联型硅基异质PN结构，p型和n型两种Si(100)基片的一侧通过金属键合对齐相接得到侧联型硅基异质PN结构，在侧联型硅基异质PN结构的同一侧表面设置4个电极，其中p型和n型Si(100)基片上各2个，这4个电极形成的几何形状为矩形。

几何巨磁阻效应的具体测量方法上，测量仪器利用的是Keithley 2400数字源表。电流源两极各自连接于硅基异质PN结构同一侧p型和n型硅基片上的电极，其两个电流源电极间距用L_C表示；另一侧p型和n型硅基片上则连接电压表的两极，其中同一基片上两个电极的间距用W_C表示，所述距离不包括两个硅基片之间金属层的厚度；电流源和电压表的正极连接与p型(或n型)硅基片，负极则连接于n型(或p型)硅基片；对于层状硅基异质PN结构外加磁场方向平行于硅基异质PN结构平面，对于侧联型硅基异质PN结构外加磁场方向则垂直于硅基异质PN结构平面。