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一种 硅基几何巨磁 电阻器件及其制备方法

阅读：1029发布：2020-07-16

专利汇可以提供一种硅基几何巨磁电阻器件及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了属于磁场检测和磁场传感器材料以及器件技术领域的一种硅基几何巨磁电阻器件及其制备方法。该硅基巨磁阻器件在单晶Si(100)基片表面设有氧化层，在氧化层上设置4个电极。4个电极的几何配置为矩形。制备时将n型Si基片用酒精漂洗干净后裁剪，在Si基片的表面沉积一层氧化层或者氧化生成一层氧化层，然后将高纯软金属沉积或者压制电极于带有氧化层的长条状单晶Si基片的四个角上。电极制作完成后，得到硅基几何巨磁阻器件。所得到的器件在小磁场0.2T下，依然能呈现100％的磁阻大小，具有很高的低磁场灵敏度。制备工艺简单，是一种优异的磁场传感器且在磁盘读头领域有潜在应用。，下面是一种硅基几何巨磁电阻器件及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：该硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设有氧化层，在氧化层上设置4个电极，4个电极的几何配置为矩形，其中，在长度方向上的两个电极之间的间距用LC表示，在宽度方向上的两个电极之间的间距用WC表示，两间距的比值大于等于5，即LC/WC≥5。
2.根据权利要求1所述的硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：所述氧化层的厚度在
0.5nm～5nm之间。
3.根据权利要求1所述的硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：所述氧化层为SiO2层，Al2O3层或者为MgO层。
4.根据权利要求1所述的硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：所述的电极采用高纯软金属。
5.根据权利要求4所述的硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：所述的软金属为金属铟(In)或者金属铝(Al)。
6.根据权利要求1所述的硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：所述Si(100)基片为n型Si基片，电阻率大于100Ω·cm。
7.根据权利要求1所述的硅基几何巨磁电阻器件，其特征在于：所述Si(100)基片的少子寿命需要大于10μs。
8.权利要求1至7任意一个权利要求所述的硅基几何巨磁电阻器件的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)将n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长条状；
(2)在Si基片的表面沉积一层氧化层或者氧化生成一层氧化层；
(3)将高纯软金属沉积或者压制电极于长条状单晶Si(100)基片的四个角上，得到硅基几何巨磁电阻器件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，氧化生成氧化层采用如下步骤，将纯Si片于室温大气条件下长期放置，时间大于1h，即得SiO2氧化层。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，压制完电极后，将器件置于加热台上在300℃～350℃下加热10min～20min，然后自然冷却至室温。

说明书全文

一种硅基几何巨磁 电阻器件及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于磁场检测和磁场传感器材料以及器件技术领域，特别涉及一种硅基几何巨磁电阻器件及其制备方法。

背景技术

[0002] 效应巨大和磁场响应度灵敏的磁致电阻(简称磁电阻)效应，作为磁存储技术和磁检测技术的核心，一直是磁性存储工业界孜孜以求的目标，目前开发并且获得应用的GMR和TMR效应主要是基于磁性金属材料。Si材料是信息工业中的主流材料，考虑到Si材料在当今信息工业中的地位，实现显著的Si基室温巨磁电阻器件，可以方便地将Si基磁阻器件与现有半导体技术集成，意义重大。

[0003] 2009年，Delmo等人(Nature，457(2009)1112)发明了纯Si基的磁电阻器件。他3
们的器件实现了室温300K以及磁场3T条件下，10％的磁电阻。这个磁阻数值比Si中正常的磁电阻大2个数量级。但是该器件的低场磁场灵敏度较低，且器件需要工作在大电压(100V级)和大功率(0.1W～1W)的条件下，工业价值有限。同年，Schoonus等人(J.Phys.D：Appl.Phys.42(2009)185011)亦在纯Si中发现了显著的磁电阻效应，在1T磁场下实现
3
了10％的磁阻。不过和Delmo的情况类似，这种器件的工作电压和功耗非常大，甚至大于Delmo的。

[0004] 除了Si基巨磁阻电阻材料，其他体系亦能实现显著的磁阻特性，且低场灵敏度和功耗都能很低，如Solin等人(Science，289(2000)1530)发明的InSb/Au结构磁阻。这种结构虽然性能优异，但是结构较复杂，不利于器件的小型化，而且制备工艺复杂，原料成本较高。而我们发明的Si基几何巨磁阻器件实现了可与Solin等人设计的结构磁阻比拟的5 2
性能，大的磁阻性能(7T条件下，10％的磁阻)以及优异的低场灵敏度(0.2T条件下，10％的磁阻)。这个性能也比Delmo和Schoonus等人设计的器件拥有更高的磁阻数值，而且我们的器件还工作在更低的电压范围(10V左右)内且功耗更低(1mW级)，拥有更好的实用化前景。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种硅基几何巨磁电阻器件及其制备方法。

[0006] 一种硅基几何巨磁电阻器件，该硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设置氧化层，在氧化层上设有4个电极，4个电极的几何配置为矩形。其中，在长度方向上的两个电极之间的间距用LC表示，在宽度方向上的两个电极之间的间距用WC表示，两间距的比值大于等于5，即LC/WC≥5。

[0007] 本发明所说的间距是指两电极相向的侧面之间的距离。

[0008] 在LC/WC≥5时，才能使磁阻性能得到显著的提高。

[0009] 电极的几何配置为矩形，是指每个电极作为矩形的顶点，4个电极形成一个矩形结构。

[0010] 4个电极中，其中2个用于连接电流源，另外2个用于连接电压表。

[0011] 所述氧化层厚度在0.5nm～5nm之间。

[0012] 所述氧化层可以是SiO2，Al2O3，MgO等。

[0013] 所述的电极采用高纯软金属。所述高纯是指纯度大于99.9wt％。

[0014] 所述的软金属包括金属铟In和金属Al等。

[0015] 所述Si(100)基片n型Si基片，电阻率需大于100Ω·cm。

[0016] 所述Si(100)基片的少子寿命需要大于10μs。

[0017] 一种上述硅基几何巨磁电阻器件的制备方法，该方法包括如下步骤：

[0018] (1)将n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长条状；

[0019] (2)在Si基片的表面沉积一层氧化层或者氧化生成一层氧化层，[0020] (3)将高纯软金属沉积或者压制电极于长条状单晶Si(100)基片的四个角上，得到硅基几何巨磁电阻器件。

[0021] 上述方法中，所述氧化层的厚度在0.5nm到5nm之间。氧化生成SiO2氧化层可采用如下步骤，将纯Si片于室温大气条件下长期放置，时间大于1h，即得SiO2氧化层。

[0022] 步骤(3)中，可在压制完电极后，将器件置于加热台上在300℃～350℃下加热10min～20min，然后自然冷却至室温，得到硅基几何巨磁电阻器件。加热处理可使得电极与氧化层的连接更牢固。

[0023] 所属的软金属包括金属铟(In)和金属(Al)等。

[0024] 本发明的有益效果为：

[0025] 1、所得到的器件在温度300K，磁场7T，测试电流为0.22mA条件下，器件的磁阻可5
以达到10％量级；在温度300K，磁场0.5T，测试电流0.225mA条件下，它的磁电阻依然可以维持在103％量级，具有很好的高场磁阻特性。

[0026] 2、所得到的这种基于金属铟和单晶硅的器件，磁电阻数值比普通硅大4个数量级，磁电阻数值也远大于商用GMR和TMR材料。所得到的器件在小磁场0.2T下，依然能呈现100％的磁阻大小，具有很高的低磁场灵敏度。

[0027] 3、所得到的器件工作在10V和0.2mA左右，因此功率在2mW级别。

[0028] 4、该器件结构简单、原材料价格适中，且环境友好。制备工艺简单，是一种优异的磁场传感器且在磁盘读头领域有潜在应用。附图说明

[0029] 图1为硅基几何巨磁电阻器件及其磁电阻性能测试的示意图；

[0030] 图2为实施例1硅基几何巨磁电阻器件磁阻与高磁场依赖特性；

[0031] 图3为实施例2硅基几何巨磁电阻器件磁阻与低磁场依赖特性。

具体实施方式

[0032] 下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

[0033] 实施例1

[0034] 制备硅基几何巨磁电阻器件：

[0035] (1)将电阻率为3000Ω·cm的n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长L＝7mm，宽W＝3mm的长条状。

[0036] (2)将长条状n型Si(100)基片于室温大气条件下放置3h，在Si基片的表面氧化生成一层SiO2氧化层；

[0037] (3)再用高纯软金属In(＞99.9％)压制电极于长条状Si片的四个角上。电极的尺寸为沿Si片长度方向0.5mm，沿Si片宽度方向1.4mm。因此LC＝6mm，WC＝0.2mm。上述参量如图1中标示所示。随后器件于加热台上在300℃下加热10min，然后自然冷却至室温。至此一个硅基几何巨磁电阻器件就制备完成了。

[0038] 得到的硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设有SiO2氧化层，在氧化层上设置4个电极，4个电极的几何配置为矩形，其中，在长度方向上的两个电极之间的间距LC与在宽度方向上的两个电极之间的间距WC的比值为30，即LC/WC＝30。其中，氧化层的厚度为1.6nm。

[0039] 所制备的硅基几何巨磁电阻器件由TEM(JEOL-2011)进行结构表征；界面结构同样用TEM(JEM-2011)观察；IV性能用四电极法由Keithley2400电流电压表测量；磁场由超导量子干涉仪提供(SQUID)，磁阻性能在SQUID中用Keithley2400源表测量。Si表面两对相距较近的电极分别用来接恒流源和电压表，如图1所示。硅基几何巨磁电阻器件中，硅表面的本征氧化层为1.6nm。

[0040] 图2为本实施例得到的硅基几何巨磁电阻器件的室温磁阻与大磁场的依赖关系。从图2可以看出，随着磁场的增加，在某一个临界磁场之前，电阻首先缓慢地增加。当磁场大于这个临界磁场时，磁阻急剧地增加。而且这个临界磁场与测试电流有关。随着测试电流从0.12mA增加到0.22mA，临界磁场从6T降低为0.5T。进一步增加电流，临界磁场减为0，因此在0.25mA以上时，随着磁场从0T往正或者负的方向增加，电阻都迅速地增加。不过此时高磁场下的磁电阻效应较稍小电流的磁电阻有所减小。如在0.296mA条件下，随着磁阻从
0T增加到正负7T，电阻只变化了1.5个数量级而在0.22mA条件下，电阻变化了4个数量级。
不过即使在很大的电流条件下，如0.325mA条件，虽然电阻只变化了约5倍(MR≈500％)，但是这个大小的磁电阻已经比正常的Si基磁电阻大1个数量级。Si基正常磁电阻，在7T条件下，为50％左右。

[0041] 性能相关的附图针对实施例1。测试示意图针对所有实施例。

[0042] 实施例2

[0043] 制备硅基几何巨磁电阻器件：

[0044] (1)将电阻率为3000Ω·cm的n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长L＝7mm，宽W＝3mm的长条状。

[0045] (2)将长条状n型Si(100)基片于室温大气条件下放置3h，在Si基片的表面氧化生成一层SiO2氧化层；

[0046] (3)再用高纯软金属In(＞99.9％)压制电极于长条状Si片的四个角上。电极的尺寸为沿Si片长度方向0.5mm，沿Si片宽度方向1.45mm。因此LC＝6mm，WC＝0.1mm。上述参量如图1中标示所示。随后器件于加热台上在300℃下加热10min，然后自然冷却至室温。至此一个硅基几何巨磁电阻器件就制备完成了。

[0047] 得到的硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设有SiO2氧化层，在氧化层上设置4个电极，4个电极的几何配置为矩形，其中，在长度方向上的两个电极之间的间距LC与在宽度方向上的两个电极之间的间距WC的比值为60，即LC/WC＝60。其中，氧化层的厚度为1.6nm。

[0048] 用上述方法制备的硅基几何巨磁电阻器件，在室温300K条件下，在1T的磁场下，其电阻变化也可以达到10倍以上，磁场灵敏度优于已报道的Si基磁电阻器件性能。在某些电流下，如0.225mA至0.250mA条件下，在0.5T磁场下，即可实现103％的磁阻，在0.2T磁场下，也可以实现100％的磁阻大小。这个大小的低场磁场灵敏度已经可以与Solin等人发明的InSb基磁电阻器件相比拟了。

[0049] 实施例3

[0050] 制备硅基几何巨磁电阻器件：

[0051] (1)将电阻率为3000Ω·cm的n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长L＝7mm，宽W＝3mm的长条状。

[0052] (2)将长条状n型Si(100)基片于室温大气条件下放置24h，在Si基片的表面氧化生成一层SiO2氧化层；

[0053] (3)再用高纯软金属In(＞99.9％)压制电极于长条状Si片的四个角上。电极的尺寸为沿Si片长度方向0.5mm，沿Si片宽度方向1.45mm。因此LC＝6mm，WC＝0.1mm。上述参量如图1中标示所示。至此一个硅基几何巨磁电阻器件就制备完成了。

[0054] 得到的硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设有SiO2氧化层，在氧化层上设置4个电极，4个电极的几何配置为矩形，其中，在长度方向上的两个电极之间的间距LC与在宽度方向上的两个电极之间的间距WC的比值为60，即LC/WC＝60。其中，氧化层的厚度为1.6nm。

[0055] 用上述方法制备的硅基几何巨磁电阻器件，在室温300K条件下，在1T的磁场下，其电阻变化也可以达到10倍以上，磁场灵敏度优于已报道的Si基磁电阻器件性能。在某3
些电流下，如0.210mA至0.257mA条件下，在0.5T磁场下，即可实现10％的磁阻，在0.2T磁场下，也可以实现110％的磁阻大小。

[0056] 实施例4

[0057] 制备硅基几何巨磁电阻器件：

[0058] (1)将电阻率为3000Ω·cm的n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长L＝7mm，宽W＝3mm的长条状。

[0059] (2)将长条状n型Si(100)基片于脉冲激光沉积设备中沉积2.0nm厚度的Al2O3；

[0060] (3)再用高纯金属Al(＞99.9％)磁控溅射沉积电极于长条状Si片的四个角上。电极的尺寸为沿Si片长度方向0.5mm，沿Si片宽度方向1.45mm。因此LC＝6mm，WC＝0.1mm。上述参量如图1中标示所示。至此一个硅基几何巨磁电阻器件就制备完成了。

[0061] 得到的硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设有Al2O3氧化层，在氧化层上设置4个电极，4个电极的几何配置为矩形，其中，在长度方向上的两个电极之间的间距LC与在宽度方向上的两个电极之间的间距WC的比值为60，即LC/WC＝60。其中，氧化层的厚度为2.0nm。

[0062] 用上述方法制备的硅基几何巨磁电阻器件，在室温300K条件下，在1T的磁场下，其电阻变化也可以达到5倍以上。

[0063] 实施例5

[0064] 制备硅基几何巨磁电阻器件：

[0065] (1)将电阻率为1000Ω·cm的n型Si(100)基片用酒精漂洗干净，并将其裁剪成长L＝7mm，宽W＝3mm的长条状。

[0066] (2)将长条状n型Si(100)基片于脉冲激光沉积设备中沉积2.5nm厚度的MgO；

[0067] (3)再用高纯金属Al(＞99.9％)磁控溅射沉积电极于长条状Si片的四个角上。电极的尺寸为沿Si片长度方向0.5mm，沿Si片宽度方向0.90mm。因此LC＝6mm，WC＝1.2mm。上述参量如图1中标示所示。至此一个硅基几何巨磁电阻器件就制备完成了。

[0068] 得到的硅基几何巨磁电阻器件在单晶Si(100)基片表面设有MgO氧化层，在氧化层上设置4个电极，4个电极的几何配置为矩形，其中，在长度方向上的两个电极之间的间距LC与在宽度方向上的两个电极之间的间距WC的比值为5，即LC/WC＝5。其中，氧化层的厚度为2.5nm。

[0069] 用上述方法制备的硅基几何巨磁电阻器件，在室温300K条件下，在1T的磁场下，其电阻变化也可以达到8倍以上。

[0070] 而且我们发明的器件的工作电压大约为10V左右，工作功率为1mW量级。器件结构也非常简单。从制备工艺角度讲，器件的整个制造过程非常简单，原材料来源丰富，环境友好。因此这种器件在磁场传感器和磁盘读头领域有很好的潜在应用前景。

[0071] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

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