专利名称：一种硅基异质pn结构几何巨磁阻器件及其制备方法
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Griinberg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. IW 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、I. 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UW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。I、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(IOO)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I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娃基异质PN结构，在侧联型娃基异质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Lc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。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；对于层状娃基异质PN结构外加磁场方向平行于娃基异质PN结构平面,对于侧联型娃基异质PN结构外加磁场方向则垂直于娃基异质PN结构平面。换言之，Wc即为接电流源与接电压表的正(负)电极之间的间距，Lc即为接电流源(或接电压表)的正负电极之间的间距，为了实现低磁场下的巨大磁阻响应，两间距的比值优选大于等于1，即We/Le> I。在这里要强调的是该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的关键特征在于利用金属键合拼接P型/n型两种Si基片以构成p-Si/金属/n-Si串联型异质PN结构。该巨磁阻器件的接电流源和接电压表的正(负)电极之间的间距(Wc)和在接电流源(或接电压表)的正负电极之间的间距(Lc)之比Wc/Lc> I时能够显著地提高磁电阻性能，这就是几何巨磁阻器件的最大优点。根据实际需要选择适当We/L。比值的几何巨磁阻器件可更有效地提高磁电阻性能，通常比值越大性能越好。图I所示器件共有4个用功函数接近Si材料的金属电极，其中2个用于连接电流源，另外2个用于连接电压表。该器件的电极和Si基片之间有一层氧化层,氧化层厚度为大于0小于等于5nm。该氧化层可选用Si自身的自然氧化层(SiO2)或者人工沉积Si02、Al2O3或MgO等氧化层。上述电极及p型/n型娃基片键合采用功函数接近Si材料的金属(①=4 5. 5eV)以尽可能实现欧姆接触，如In (铟)，Al (铝)，Ag(银)，Ti (钛)，Au (金)、Ni (镍)等。上述p型/n型两种Si(IOO)基片需选用电阻率大于等于100Q cm、少子寿命大于IOii s的Si(IOO)基片。2、上述硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法，其中层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法如下(I)将n型和p型Si (100)基片清洗干净，通常可用丙酮(乙醇)超声漂洗；(2)在Si基片的表面形成一层自然氧化层或者人工生成氧化层；(3)按照所需尺寸(W/L)切割相同尺寸的p型和n型单晶Si (100)基片，基片长度用L表不，览度用W表不；(4)将功函数接近Si材料的金属分别沉积或者等厚压制在p型和n型单晶Si(IOO)基片的一面；(5)利用金属键合(熔焊或压焊法)将p型和n型单晶Si (100)基片的压制(沉积)金属的一面对齐相接，制备成P-Si基片/金属/n-Si基片的层状硅基异质PN结构(如金属为In，应在160 200°C下进行熔接)；
(6)在层状硅基异质PN结构的上下表面上按照所需尺寸(We/L。)和配置制作金属电极，其4个电极必须要对齐；(7)将层状硅基异质PN结构置于加热台(或加热箱)内烘烤10 30分钟(根据金属特性，如金属为In，见熔化即可)，再自然冷却至室温，使金属电极和器件之间的接触更加紧密，并完成硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备。侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法如下(I)将n型和p型Si (100)基片用丙酮(乙醇)超声漂洗干净；
(2)在Si基片的表面形成一层自然氧化层或者人工生成氧化层；(3)按照所需尺寸(W/L)切割相同尺寸的p型/n型单晶Si (100)基片；(4)利用金属键合法将p型和n型单晶Si (100)基片的一侧对齐相接，制备成p_Si基片/金属/n-Si基片侧联型娃基异质PN结构；(6)在侧联型硅基异质PN结构的表面按照所需尺寸(Wc/Lc)和配置制作金属电极，其4个电极必须以矩形要一一对齐；(7)将侧联型硅基异质PN结构置于加热台上烘烤(退火)，再自然冷却至室温，完成侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备。鉴于金属的自身特性，利用In金属时,在160 200°C下烘烤,见金属熔化立即开始自然冷却直至室温；利用Al或Ag金属时，则可以采用沉积法(或蒸镀)制作电极后，在熔点以下温度进行退火即可。通过退火使P-Si基片/金属/n-Si基片之间的接触更加紧
r I I O所述氧化层的生成方法为，将纯Si片洗净后在室温常压下放置I分钟以上，即得I. 2nm左右厚的自然SiO2氧化层。或者，利用氧化物沉积法人工沉积小于等于5nm厚度的Si02、Al2O3、MgO 等氧化层。本发明的有益效果为I、所制得的硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，在室温(300K)、1.2T磁场、44 PA测试电流下，其磁电阻可以达到1000%量级；在室温(3001()、1.21'磁场、2.4114测试电流下，其磁电阻仍然可达100%量级，具有很好的高场磁阻性能。2、该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的磁电阻性能比普通硅基磁电阻器件更加稳定。在0. 06T低磁场作用下，也达到5%以上较稳定的磁电阻效应。3、该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件可以在5V和0. 05mA以内的条件下正常工作，其功率在0. 25mff以下。4、该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，不仅结构简单、原材料资源丰富，而且其制备工艺简单，在磁检测、磁电传感及相关测控领域上有很好的应用前景。总之，本发明的硅基异质PN结构巨磁阻器件，有非常敏感的磁阻效应。在毫特(mT)级低磁场下磁阻变化可达到5%以上，如果适当增加接电流源和接电压表的正(负)电极之间间距(Wc)和接电流源(电压表)正负电极之间间距(Lc)的几何比值，其磁阻在特斯拉(T)级磁场下可达到1000%量级。该磁阻器件的结构和制备工艺简单、对磁场的响应非常灵敏，因此在磁检测和磁电控制技术领域有着深远的应用前景。
图I为层状和侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件及其磁电阻性能测试的示意图；图2为实施例1，不同磁场下We/L。= 5的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的磁阻性能；图3为实施例2，I. 2T高磁场条件下Wc/Lc = 16的侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件磁阻性能。
图4为实施例3，I. 2T高磁场条件下We/L。= 0. I的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件磁阻性能。
具体实施例方式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。实施例I层状硅基异质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In键合而成。所述基片表面有自然氧化层，两种基片尺寸相同，都为长L =
8.5mm，宽W = 4mm,厚度为500 u m, p型和n型Si基片的一面通过金属In键合对齐相接，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个电极上下左右相互对齐；其中层状硅基异质PN结构的同一侧两个上下对齐的电极接电流源，另一侧两个电极则接电压表，位于不同硅基片且同一侧的两个电极的距离(即接电流源或电压表的正负电极之间的间距)LC = LJL2 = 1mm，所述距离不包括两个硅基片之间金属层的厚度，L1为p型硅基片厚度，L2为n型硅基片厚度。位于同型硅基片的两个电极的间距(即接电流源与接电压表的正(负)电极之间的间距)WC = 5mm, ffc/Lc = 5。上述几何巨磁阻器件的制备方法为将厚度为500 u m电阻率为3000 Q cm双面抛光的n型Si (100)基片和厚度为500 u m电阻率为100 Q -cm的双面抛光的p型Si (100)基片用丙酮超声漂洗干净，所述Si (100)基片少子寿命大于IOy S，在室温常压下放置I分钟以上，即得I. 2nm厚的SiO2氧化层，将基片裁剪成长L = 8. 5mm，宽W = 4mm的长条状。利用高纯软金属In( > 99. 9% )薄膜，在160 200°C下通过熔接法(见金属熔化立即开始自然冷却直至室温)将P型和n型单晶Si (100)基片对齐相接。再用金属In在上下两种Si片表面上各压制对齐的2个电极(共4个电极)。电极的尺寸为沿Si片长度方向I. 5mm,沿Si片宽度方向3. 5mm。如图I所示，Lc = lmm, Wc = 5mm (即Wc/Lc = 5)。随后将器件置于加热台上在160 200°C下加热，见In要熔化立即开始自然冷却直至室温。至此一个层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件就制备完成了。所制备的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的结构表征和界面结构由TEMQE0L-2011)进行观察；IV性能由Keithley2400数字源表用四探针法测量；磁场由
I.2T永磁铁和利用DH1720-4型直流稳压稳流电源(0 70V，3A)的电磁铁提供；特殊材料电极和金属键合面由脉冲激光沉积(PLD)制作。该器件有4个电极，其中一对电极用来接恒流源，另外一对电极则用来接电压表，如图I所示。硅基异质PN结构几何巨磁阻器件中，硅表面的本征氧化层厚度约为I. 2nm。图2为室温(300K)、不同磁场条件下，所制得的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的磁阻性能实施例。从随电流变化的磁阻曲线图可以看出，该器件作为一种异质PN结构在正向电流和反向电流下，其磁阻性能明显不对称。在一个特定电流值-I. 7 y A下，该器件的磁电阻性能表现非常突出。随着磁场强度的逐渐增加，该器件的磁电阻性能表现得更加明显。在较高的1200mT磁场下其磁电阻性能达到了 62%以上，且在较低磁场下，除61mT磁场下呈现5%左右稳定的磁敏感度外，其他情况都达到了 18%以上的磁电阻性能。该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的磁电阻性能，在较小几何比值Vc/Lc = 5下已达到宏观可辨的磁电阻性能。
附图2的性能测试结果针对实施例I。测试示意图针对所有层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件实施例。实施例2侧联型硅基异质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(IOO)基片通过金属In键合而成。所述基片表面有氧化层，两种基片尺寸相同，都为长L=8. 5mm，宽W = 4mm,厚度为500 u m, p型和n型两种Si (100)基片的一侧通过金属In键合对齐相接，在侧联型硅基异质PN结构的一面设置4个电极，其中p型和n型Si (100)基片上各2个，这4个电极以矩形一一对齐。p型基片上的一个电极和同一侧的n型基片上的电极接电流源，另外两个电极接电压表，位于同一基片的两个电极的间距(即接电流源与接电压表的正(负)极之间的间距)W。= 6. 5mm;位于不同基片且同一侧的两个电极的距离(即接电流源或电压表的正负电极之间的间距)Lc = L^L2 = 0. 4mm, L1为p型基片上的电极与金属层的距离，L2为n型基片上的电极与金属层的距离，Lc不包括金属层厚度，即Wc/Lc=16。上述几何巨磁阻器件的制备方法为将500 U m厚电阻率为3000 Q cm的双面抛光的n型Si (100)基片和500 u m厚电阻率为100 Q -cm的双(单)面抛光的p型Si (100)基片用丙酮超声漂洗干净，在室温常压下放置I分钟以上，即得I. 2nm厚的SiO2氧化层，将基片裁剪成长L = 8. 5mm，宽W = 4mm的长条状。利用高纯软金属In( > 99. 9% )带状条，在160 200°C下通过熔接法(见金属熔化立即开始自然冷却直至室温)将p型和n型单晶Si (100)基片的侧面对齐相接。再用金属In在两种Si片表面上各压制2个电极(共4个电极需矩形对齐)。电极的尺寸为沿Si片长度方向1mm，沿Si片宽度方向1.5mm。如图I所示，Lc = 0. 4mm, Wc = 6. 5mm(约Wc/Lc = 16)。随后器件再置于加热台上在160 200°C下加热，见In要熔化立即开始自然冷却直至室温。至此一个侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件就制备完成了。本实施例制备的硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，在室温、I. 2T的磁场下，其电阻变化也可以达到1000%以上，磁场灵敏度优于已报道的Si基磁阻器件性能。在某些电流下，如在I. 2T磁场条件下，电流为44 i! A时即可实现高达2770%的磁阻效应。该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。附图3的性能测试结果针对实施例2。测试示意图针对所有侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件实施例。实施例3层状硅基异质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Al界面拼接而成，所述基片表面有氧化层，两种基片尺寸相同，都为长L =7mm，宽W = 5mm,厚度为500 y m，p型和n型Si基片的一面通过金属Al对齐相接，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个电极上下左右对齐，其中两个上下对齐的电极接电流源，另外两个电极接电压表，位于同一基片的两个电极的间距Wc = 0. Imm,位于不同基片且同侧的两个电极的距离Lc = lmm, ffc/Lc = 0. I。
上述几何巨磁阻器件的制备方法为将厚度为500 U m电阻率为1000 Q cm双面抛光的n型Si (100)基片和厚度为500 u m电阻率为1000 Q -cm的双面抛光的p型Si (100)基片用丙酮超声漂洗干净，在室温常压下放置I分钟以上，即自然氧化得到SiO2层，将基片裁剪成长L = 7_，宽W = 5_的长方形状。分别在p型和n型两种Si基片的一面沉积(利用PLD)功函数较小的高纯金属Al薄膜，然后利用压焊法(利用高纯软金属铟)将p型和n型单晶Si (100)基片沉积金属的一面对齐相接。再利用金属Al沉积(利用PLD)在上下两种Si片表面上各压制对齐的2个电极(共4个电极)。电极的尺寸为沿Si片长度方向
I.5mm,沿Si片宽度方向2mm。Lc = 1mm, Wc = 0. Imm (即Wc/Lc = 0. I)。随后将器件置于加热台上在160 200°C下加热，见键合用金属铟熔化立即开始自然冷却直至室温。至此一个层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件就制备完成。采用金属Al电极的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件(We/L。= 0. I)，在室温、I. 2T磁场条件下，电流为-10 u A时也可实现高达30%以上的磁阻效应(见图4)。附图4的性能测试结果针对实施例3。测试示意图针对所有采用金属Al电极的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件实施例。综上所诉，我们发明的硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的工作电压为5V以下、功率为0. 25mff以下，其磁阻性能显著而稳定。该器件不仅结构简单而且其制备工艺也简单。不仅如此，该器件的整个制造过程简单易行，原材料来源丰富，成本低。因此这种器件在磁检测、磁控及磁传感领域有很好的潜在应用前景。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示的技术范围内，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。
权利要求
1.一种硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，其特征在于该巨磁阻器件是p型和n型两种Si (100)基片通过金属键合而成，该巨磁阻器件为层状或侧联型硅基异质PN结构； 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结构的一面设置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。
2.根据权利要求I所述的几何巨磁阻器件，其特征在于在进行几何巨磁阻效应的测量时，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Lc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\表示，所述间距不包括两个硅基片之间金属层的厚度，ffc/Lc ^ I。
3.根据权利要求I所述的几何巨磁阻器件，其特征在于所述基片表面有氧化层，氧化层厚度大于0小于等于5nm。
4.根据权利要求3所述的几何巨磁阻器件，其特征在于所述氧化层为Si02、Al2O3或MgO0
5.根据权利要求I所述的几何巨磁阻器件，其特征在于所述的电极及p型和n型硅基片的金属键合采用的金属的功函数O = 4 5. 5eV。
6.根据权利要求5所述的几何巨磁阻器件，其特征在于所述的金属为铟、铝、银、钛、金或镍。
7.根据权利要求I所述的几何巨磁阻器件，其特征在于所述n型和p型Si(100)基片的电阻率大于等于100Q cm,且少子寿命大于IOy S。
8.权利要求I至7任意一个权利要求所述的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法，其特征在于该制备方法包括如下步骤 (1)将n型和p型Si(100)基片清洗干净； (2)在Si基片的表面形成一层自然氧化层或者人工生成氧化层； (3)按照所需尺寸切割相同尺寸的p型和n型单晶Si(100)基片； (4)将金属分别沉积或者压制在p型和n型单晶Si(100)基片的一面； (5)利用金属键合将p型和n型单晶Si(100)基片对齐相接，制备成P-Si基片/金属/n-Si基片的层状硅基异质PN结构； (6)在层状硅基异质PN结构的上下表面上按照所需尺寸和配置制作金属电极； (7)将层状硅基异质PN结构置于加热台或加热箱内烘烤，再自然冷却至室温，完成层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备。
9.权利要求I至7任意一个权利要求所述的侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法，其特征在于该制备方法包括如下步骤 (1)将n型和p型Si(100)基片清洗干净； (2)在Si基片的表面形成一层自然氧化层或者人工生成氧化层； (3)按照所需尺寸切割相同尺寸的p型和n型Si(100)基片； (4)利用金属键合将p型和n型Si(100)基片的一侧对齐相接，制备成P-Si基片/金属/n-Si基片的侧联型娃基异质PN结构； (6)在侧联型硅基异质PN结构的同一侧表面按照所需尺寸和配置制作金属电极； (7)将侧联型硅基异质PN结构置于加热台上烘烤，再自然冷却直至室温，完成侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于所述氧化层的生成方法为将洗净后的Si (100)基片在室温常压下放置I分钟以上，即得SiO2氧化层；或者，利用氧化物沉积法人工沉积小于等于5nm厚度的氧化薄层。
全文摘要
本发明公开了属于磁检测和磁传感器材料以及相关测控器件技术领域的一种硅基异质PN结构巨磁阻器件及其制备方法。该硅基巨磁阻器件是将p型/n型单晶Si(100)基片通过金属压焊或熔接(金属键合)制成p-Si/金属/n-Si串联型异质PN结构，制备时将p型/n型Si基片用丙酮(或酒精)漂洗干净后裁剪并进行金属键合，用功函数功函数接近Si材料的金属沉积(或者压制)法制作电极于p型/n型Si基片。在每个Si基片上各设有2个电极，4个电极必须一一对齐。该磁阻器件的结构和制备工艺简单、对磁场的响应-灵敏，因此在磁检测和磁电控制技术领域有着深远的应用前景。
文档编号H01L43/08GK102623630SQ20121011052
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者万蔡华, 朴红光, 王集敏, 章晓中, 高熙礼 申请人:清华大学