具有电流调控磁电阻效应的Fe₃O₄/p-Si结构及制备方法

专利名称：具有电流调控磁电阻效应的Fe₃O₄/p-Si结构及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有电流调控磁电阻效应的i^304/p-Si结构及制备方法，更具体地，是一种可以通过电流强度调控磁电阻效应的i^304/p-Si异质结构及制备方法。
背景技术：
近年来，由于在磁信息存储和读取方面具有巨大的应用前景，自旋电子学材料备受关注。2007年的诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert !^ert和Peter Grtoberg两位教授。现在，如何将具有高自旋极化率的材料和半导体材料复合在一起，产生具有较大磁电阻效应是人们要解决的问题。
第一性原理计算表明，!^e3O4、Li^xAxMnO3(LAMO, A 为碱土元素 Ca、Sr 和 Ba 等)、Cr02、 NiMnSb等材料的能带结构介于金属和绝缘体之间，被称为半金属材料。对于一个自旋方向， 半金属材料的能带结构具有金属特性，在费米面附近具有一定的态密度；而对另一种自旋方向，其能带结构具有绝缘体特性，在费米面附近态密度为零或电子是局域化的。因此，从理论上讲，半金属材料应具有100%的自旋极化率。LAMO和CiO2材料的居里温度都比较低， 不能满足实际应用的要求。Heusler合金的结构比较复杂，价格也比较贵，不容易制备，并不利于实际生产。！^e3O4材料，具有居里温度高、电阻率与半导体匹配等特点，因此将!^e3O4作为铁磁层与半导体复合在一起会获得具有磁电阻效应的复合材料。
目前，国内外的实验报道中只有中国的Wang等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 92,012122(2008)上报道的采用激光分子束外延方法在η型Si上生长了 ！^e3O4层，并在 50k0e的磁场下测量得到的最大磁电阻值为6%。Mi等人在JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107,103922(2010)上报道采用磁控溅射法在基底不加热的情况下在电阻率为2 Ω cm的ρ型 Si基底上制备了 !^e3O4层，并在90k0e的磁场和IOOmA的电流下观察到了 30%的磁电阻值。
Mi 等人在 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107，103922 Q010)上报道的磁电阻效应是电流纵向流过该结构的，即电流是从狗304流向Si。另外，实际应用中多以低电流为主， 这样可以节省能源；并且需要高的磁电阻值，提高器件的灵敏度，从而上面提到的研究结果并不能满足实际应用的要求。发明内容
从工业化生产的角度来讲，需要使用溅射法来制备样品；从实际应用上需要制备的样品具有较高的磁电阻效应，并且需要产生磁电阻效应的电流较小，这样有利于节能。本发明即从以上两个目的出发，开发了具有电流调控磁电阻效应的!^3CVp-Si结构，并且在较低电流下观察到了较大磁电阻效应，同时该磁电阻效应是面内磁电阻效应，即电流是在狗304层面内流过的，而不是纵向通过该结构的。
本发明的一种具有电流调控磁电阻效应的i^304/p-Si结构，是在ρ型Si单晶基底上生长!^e3O4 ；该异质结构在100K温度下、50k0e磁场下、ImA的电流范围内，最大磁电阻值可达40%。在90k0e的磁场和IOOmA的电流下观察到了 30%的磁电阻值，该结果比本发明3中所用到的磁场要高、电流强度要大，但是磁电阻值却比本发明的结果低。
本发明的具有电流调控磁电阻效应的i^304/p_Si结构，采用的基底材料为电阻率为0. 02 Ω cm的ρ型Si (100)单晶片，这里用到的ρ型Si (100)单晶片的电阻率比Mi等人在 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107,103922(2010)上用的 ρ 型 Si (100)单晶片的电阻率低2个数量级，并且在制备过程中对基底进行了加热，从而!^e3O4的结晶程度变好。
具体步骤如下
1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机， 在强磁性靶头上安装一个纯度为99. 99%的!^e靶，靶材的厚度为2mm，直径为60mm ；靶与基片架之间的距离为IOcm;
幻将P型Si单晶基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将ρ型Si单晶基底安装在位于靶头上方的基片架上；
3)开启三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于8X 10-6 ；
4)当溅射室的背底真空度优于8 X KT6Pa时，向真空室通入纯度为99. 999%的Ar 和A的混合气体，其中Ar气的流量为lOOsccm，O2气的流量为2. 4sCCm，将真空度保持在 IPa ；
5)将ρ型Si单晶基底温度以10°C /秒的速度升至500°C ；
6)待基底温度达到500°C并稳定后，打开控制基片架旋转的步进电机，使基片架与安装在基片架上的P型Si单晶基底以每分钟2圈的转速转动；
7)开启溅射电源，在！^靶上施加0. 2A的电流和350V的直流电压，预溅射10分钟，等溅射电流和电压稳定；
8)打开基片架下方的档板开始溅射，溅射过程中，ρ型Si单晶基底保持在500°C， 并一直以每秒钟2圈的转速转动；
9)溅射15分钟后，关闭基片架下方的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和02，完全打开闸板阀，继续抽真空，关掉控制基片架旋转的步进电机，并且将ρ型Si 单晶基底温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统；待系统冷却后，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，直到溅射室内的气压达到一个标准大气压，停止通入氮气， 打开真空室，取出ρ型Si单晶基底上生长的!^e3O4样品。
本发明所涉及的具有电流调控的磁电阻效应的i^304/p-Si结构在自旋电子学器件上具有应用价值，可以替代现有的磁性金属材料而作为自旋注入源材料。
与其它Fe3304/Si结构的性能和制备方法相比本发明所制备的异质结构在小电流下具有较大磁电阻效应；所采用的方法为反应磁控溅射法，简单实用，有利于在工业生产上的推广。与现有技术相比
1、由于目前工业化生产所采用的主要方法是溅射法，本发明所采用的反应溅射法，与Wang等人在APPLIED PHYSICS LETTERS 92,012122(2008)上报道的采用激光分子束外延方法相比，在工业生产上具有明显优势；
2、本发明在50k0e的磁场下、低于ImA的电流下测量得到40%的面内磁电阻值， 比 Mi 等人在 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107,103922(2010)上报道的 IOOmA 下的纵向磁电阻效应更具有实际应用价值，在应用过程中更加节能。


图1给出了本发明中制备的i^304/p-Si结构的X射线衍射谱。
图2给出了本发明中制备的i^e304/p-Si结构中!^e 2p的光电子能谱图。
图3给出了本发明制备的i^e304/p-Si结构的零场冷却曲线和加场冷却曲线。
图4给出了本发明制备的i^e304/p-Si结构的温度为100K和磁场为50k0e下的磁电阻随外加电流的变化关系曲线。
图5给出了本发明i^e304/p-Si结构的电输运特性测量示意图。
具体实施方式
根据我们对本发明中所制备的样品进行的结构和性质分析，下面将具有电流调控磁电阻效应的 ^304/ρ 结构的最佳实施方式进行详细地说明电极的做法就是让电流在 Fe3O4面内流过的，也就是在!^e3O4层上有四个电极
1、采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机， 在强磁性靶头上安装一个纯度为99. 99%的!^e靶，靶材的厚度为2mm，直径为60mm ；靶与基片架之间的距离为IOcm;
2、将ρ型Si单晶基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将ρ型Si单晶基底安装在位于靶头上方的基片架上；
3、开启三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于8X 10-6 ；
4、当溅射室的背底真空度优于8X KT6Pa时，向真空室通入纯度为99. 999 %的 Ar和&的混合气体，将真空度保持在lPa，其中Ar气的流量为lOOsccm，O2气的流量为 2. 4sccm ；直到样品制备结束，并停止溅射后，才可以停止向溅射室中通入Ar和仏的混合气体；
5、在完成第4)步后，将ρ型Si单晶基底温度以10°C /秒的速度升至500°C ；
6、待基底温度达到500°C并稳定后，打开控制基片架旋转的步进电机，使基片架与安装在基片架上的P型Si单晶基底以每分钟2圈的转速转动；直到样品制备结束后，才可以停止基片架旋转；
7、开启溅射电源，在!^e靶上施加0. 2A的电流和350V的直流电压，预溅射10分钟， 等溅射电流和电压稳定；
8、打开基片架下方的档板开始溅射，溅射过程中，ρ型Si单晶基底保持在500°C， 并一直以每秒钟2圈的转速转动；
9、溅射15分钟后，关闭基片架下方的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和02，完全打开闸板阀，继续抽真空，关掉控制基片架旋转的步进电机，并且将P型Si 单晶基底温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统；待系统冷却后，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，直到溅射室内的气压达到一个标准大气压，停止通入氮气， 打开真空室，取出ρ型Si单晶基底上生长的!^e3O4样品。
我们对所制备的样品进行了 X射线衍射，X射线光电子能谱，磁性质和电输运特性的测量。
图1给出了制备的Fe304/p-Si结构的X射线衍射谱。从图中可以看出，衍射峰均来自于狗304和Si G00)，说明制备的样品为没有取向生长的多晶Fe53O4薄膜。
图2给出了制备的i^e304/p-Si结构中Fe 2p的光电子能谱图。从图中可以看出， Fe2+的特征峰位于709和723eV,造成Fe 2p1/2和Fe 2p3/2峰的展宽，在719eV处的Fe3+特征卫星峰，这两个特点进一步说明我们制备为!^e3O4样品。
图3给出了制备的i^e304/p-Si结构的3000e磁场下的零场冷却曲线和加场冷却曲线。从图中可以看出，样品的磁化强度在116K附近出现明显变化，说明我们制备的样品的 Verwey转变温度为116K，这进一步证明我们制备的样品为接近化学计量的!^e3O4样品。
图4给出了制备的i^304/p-Si结构的温度为100K和磁场为50k0e下的磁电阻随外加电流的变化关系曲线。从图中可以看出，该异质结构在100K温度下、50k0e磁场下、ImA 的电流范围内，最大磁电阻值可达40 %。
图5给出了 i^304/p-Si结构的电输运特性测量示意图。该图给出了本发明中测量磁电阻效应的电极接法为标准四端法，电极为Ag。
权利要求
1.一种具有电流调控磁电阻效应的i^304/p-si结构，其特征是在P型Si单晶基底上生长!^e3O4 ；该异质结构在100K温度下、50k0e磁场下、ImA的电流范围内，最大磁电阻值可达 40%。
2.权利要求1所述的结构的制备方法，其特征是步骤如下1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机，在强磁性靶头上安装一个纯度为99. 99%的!^e靶，靶材的厚度为2mm，直径为60mm ；靶与基片架之间的距离为IOcm;2)将ρ型Si单晶基底材料通过超声波的方式将表面杂质清除后，将ρ型Si单晶基底安装在位于靶头上方的基片架上；3)开启三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于8X 10’a ；4)当溅射室的背底真空度优于8X IO^6Pa时，向真空室通入纯度为99. 999%的Ar和仏的混合气体，其中Ar气的流量为lOOsccm，O2气的流量为2. 4sCCm，将真空度保持在IPa ；5)将ρ型Si单晶基底温度以10°C/秒的速度升至500°C ；6)待基底温度达到500°C并稳定后，打开控制基片架旋转的步进电机，使基片架与安装在基片架上的P型Si单晶基底以每分钟2圈的转速转动；7)开启溅射电源，在靶上施加0.2A的电流和350V的直流电压，预溅射10分钟，等溅射电流和电压稳定；8)打开基片架下方的档板开始溅射，溅射过程中，ρ型Si单晶基底保持在500°C，并一直以每秒钟2圈的转速转动；9)溅射15分钟后，关闭基片架下方的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar 和O2，完全打开闸板阀，继续抽真空，关掉控制基片架旋转的步进电机，并且将P型Si单晶基底温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统；待系统冷却后，向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，直到溅射室内的气压达到一个标准大气压，停止通入氮气，打开真空室，取出P型Si单晶基底上生长的!^e3O4样品。
全文摘要
本发明涉及一种具有电流调控磁电阻效应的Fe304/p-Si结构及制备方法，结构是在p型Si单晶基底上生长Fe304；该异质结构在100K温度下、50kOe磁场下、1mA的电流范围内，最大磁电阻值可达40％。采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的三靶可调超高真空磁控溅射镀膜机，在强磁性靶头上安装一个纯度为99.99％的Fe靶，靶材的厚度2mm，直径60mm；靶与基片架之间的距离10cm；将p型Si单晶基底安装在位于靶头上方的基片架上；通过控制真空度、溅射气体、电流、电压，溅射时间等条件，获得p型Si单晶基底上生长的Fe3O4样品。与其它Fe3O4/Si结构的性能相比本发明所制备的异质结构在小电流下具有较大磁电阻效应；所采用的方法为反应磁控溅射法，简单实用，有利于在工业生产上的推广。
文档编号H01L43/12GK102509768SQ20111033993
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者白海力, 米文博, 金朝 申请人:天津大学