一种具有整流磁电阻效应的磁传感器及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有整流磁电阻效应的磁传感器及其制备方法与应用，属于磁检 测的技术领域。
【背景技术】
[0002] 电阻率随着磁场变化而变化的现象称之为磁电阻，通常定义为一个无量纲的比值 MR= ，其中R(H)力外石兹gHT白勺且，R(〇) 外石兹白勺。石兹 的发现极大的促进了磁存储和磁传感器的发展。1857年，Thomson在铁磁金属中发现了各 向异性磁电阻现象，揭开了磁电阻效应的研宄篇章。1988年，Fert和Grilnberg分别独立在 铁\铬\铁多层膜中发现了巨磁电阻效应，并因此共享了 2007年诺贝尔物理学奖。由于具 有比各向异性磁电阻高的磁电阻比值，基于巨磁电阻效应的磁传感器、磁头等发展迅速，已 经广泛的应用于生产和生活中。随后，在Al2O3和MgO作为势皇层的铁磁\绝缘体\铁磁三 明治结构中发现了巨大的隧穿磁电阻效应。由于其磁电阻比值更高，功耗更低，更易集成的 优点，隧穿磁电阻效应引起了广泛的研宄热潮。
[0003] 在Si、Ge、InSb、GaAs等非磁材料中发现了奇异磁电阻效应。该类材料的磁电阻 比值更大，据报道可以在室温、3T磁场下达到1000%的磁电阻（Nature457 (2009)，1112)。 且电阻率随着磁场增加呈现近似线性增加，没有饱和现象。该类磁电阻器件不存在磁性部 分，不存在磁性器件难以克服的纳米尺寸范围内的超顺磁转变，更利于器件的小型化，以及 高密度集成。再者，硅和锗的储量丰富，价格低廉，基于硅和锗的磁电阻更易和现如今的半 导体集成工艺结合和大规模生产。然而该类磁电阻需要的电压较高，一般需要几百伏，最小 的电压报道为几伏，功耗都在mW量级以上，如此高的功耗不利于实际应用。
[0004] 目前磁传感器的应用操作是，将磁传感器放置于磁场中，在传感器两端加上一个 直流电流，同时检测传感器两端的电压降。外部磁场通过磁电阻效应调节器件的电阻率，从 而器件两端的电压降发生相应变化，故器件的电压降代表了磁场的变化。目前已经发现的 磁电阻效应包括各向异性磁电阻、巨磁电阻效应、隧穿磁电阻效应、庞磁阻效应、奇异磁电 阻效应等。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种具有整流磁电阻效应的磁传感器。本发明 所述的磁传感器具有更高的信噪比和测量精度。本发明的原理是：利用锗基、硅基半导体上 形成的磁场可调控的肖特基势皇，测量整流电压随磁场变化，和直流磁电阻相比，其具有更 大的磁电阻比值，以及更小的功耗。
[0006] 本发明还提供一种上述磁传感器的制备方法。
[0007] 本发明还提供一种上述磁传感器的应用方法。
[0008] 术语说明：
[0009] 1、整流效应：导电性能会随着电流极性发生变化，例如，通入正向电流器件处于导 通状态，通入反向电流，器件处于关断状态。
[0010] 2、肖特基势皇：具有整流特性的金属和半导体接触。
[0011] 3、整流磁电阻效应：输入一个纯的正弦交流电流，测量整流后的直流电压，整流电 压随着磁场变化的现象就是整流磁电阻。
[0012] 4、各向异性磁电阻：指铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角改变而 变化的现象。
[0013] 5、巨磁电阻效应：在铁磁金属\正常金属\铁磁金属多层膜中由于自旋相关散射 效应导致的磁电阻现象。
[0014] 6、隧穿磁电阻效应：在铁磁\绝缘体\铁磁异质结中由于自旋相关隧穿效应导致 的磁电阻现象。
[0015] 7、所述本征锗或本征硅是指：导电靠本征激发的本征载流子起主导作用的高纯锗 或高纯度硅。
[0016] 本发明的技术方案如下：
[0017] 一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，包括在半导体上形成的可磁场调控的肖特 基势皇，以使所述磁传感器具有整流磁电阻效应。本发明所述的磁传感器包括肖特基势皇， 既具有整流效应，又具有磁电阻效应。当一个交变的电流通过该磁传感器时，在该磁传感器 两端产生一个整流电压。并且该磁传感器的整流特性会随着外部磁场的变化而发生变化， 所以整流电压会随着外磁场发生相应变化，通过检测整流电压的变化即可反推得到外部磁 场的变化。该磁传感器可应用于磁存储数据的读取，或者测量外磁场。通过本发明的磁传 感器能够获得比直流测量更大的磁电阻比值，能够增大磁传感器的信噪比，提高测量精度 和磁存储器件的容错能力。并且该器件工作电压很低，具有低功耗的优势。
[0018] 根据本发明优选的，所述磁场可调控的肖特基势皇的数量为一个或多个；所述磁 场可调控的肖特基势皇包括相接触的金属电极和半导体。
[0019] 根据本发明优选的，所述半导体的电阻率大于ID?cm。
[0020] 根据本发明优选的，所述半导体为锗基半导体、硅基半导体或砷化镓半导体；所述 锗基半导体包括n型锗、p型锗或本征锗；所述娃基半导体包括n型娃、p型娃或本征娃。
[0021] 根据本发明优选的，所述金属电极为In、Al、Au、Cu、Ta或Ni。
[0022] 一种上述磁传感器的制备方法，包括步骤如下：
[0023] (1)以所述半导体为衬底；
[0024] (2)在所述半导体上压制或沉积两个金属电极；上述沉积过程可用金属掩模、光 刻或者电子束曝光等方法控制金属电极形状和尺寸；
[0025] (3)将所述两个金属电极分别进行退火处理，通过调整退火的时间和温度，使在所 述半导体上分别形成不对称的肖特基接触，或肖特基接触和欧姆接触。
[0026] 根据本发明优选的，所述步骤（1)中，将上述半导体裁切成长宽尺寸为5_X2_ 的长条形结构。
[0027] 根据本发明优选的，所述步骤（2)中，所述金属电极的尺寸为2_X1_。
[0028] 根据本发明优选的，在进行所述步骤（2)之前，在所述半导体表面制备形成该半 导体的氧化物层。
[0029] 根据本发明优选的，所述氧化物层的厚度为2nm。
[0030] 根据本发明优选的，所述磁传感器的制备方法，其中，所述磁传感器为长条状本征 锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55. 6-59. 4Q?cm，当所述磁场可调控的肖特 基势皇为两个不对称的肖特基势皇时，包括步骤如下：
[0031] (1)将本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤， 温度设定100°C，时间为两个小时；将本征锗裁剪成5mmX2mm的长条状；由于暴露在空气 中，在本征锗的表面会形成一层厚度为2nm的氧化物；
[0032] (2)在本征锗上压制In电极，In电极的尺寸为2mmXImm;
[0033] (3)利用电烙铁将所述In电极融化，两端In电极分别融化的时间不同：左边In电 极与烙铁接触时间为30s，右边In电极的接触时间为10s，使在所述本征锗上分别形成两个 不对称的肖特基势皇。
[0034] 一种上述磁传感器的制备方法，其中所述磁传感器为圆环状本征锗整流磁电阻传 感器，所述本征锗的电阻率为55. 6-59. 4Q?cm，当所述磁场可调控的肖特基势皇的数量为 一个时，包括步骤如下：
[0035] (1)将的本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘 烤，温度设定100°c，时间为两个小时；由于暴露在空气中，本征锗的表面会形成一层厚度 为2nm的氧化物；
[0036] (2)在所述本征锗上滴光刻胶，并将光刻胶甩匀，烘干；用漏光部分为宽度为 50um，内径为175um的圆环状光刻板置于本征锗前端，然后曝光；光刻胶曝光之后放入显影