專利名稱：一種硅基異質(zhì)pn結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于場效應(yīng)檢測 和傳感器材料以及相關(guān)器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及磁檢測和磁控器件技術(shù)及其制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1988年，鑒于Fert和Griinberg發(fā)現(xiàn)巨磁電阻(GMR)效應(yīng)且對(duì)自旋電子學(xué)和納米科學(xué)做出的巨大貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巨磁阻效應(yīng)作為磁檢測和磁傳感領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，在磁存儲(chǔ)和磁控技術(shù)上得到了飛速的發(fā)展。然而，當(dāng)磁性材料器件的尺寸達(dá)到納米尺度時(shí)，由于超順磁現(xiàn)象而影響自身磁化強(qiáng)度，這對(duì)依賴于磁化強(qiáng)度的磁阻器件來講是致命缺點(diǎn)之一。為了符合納米級(jí)超高集成化的要求，人們尋找著能夠取代磁性材料的磁電阻材料。硅(Si)作為當(dāng)今信息工業(yè)的主流材料，它的資源非常豐富其制作工藝非常成熟。而且，在室溫下可以實(shí)現(xiàn)顯著的磁電阻響應(yīng)[PRL 100 (2008) 127202]，這對(duì)Si為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體工業(yè)來講是一個(gè)值得驚喜的大發(fā)現(xiàn)。不僅如此，Si又作為非磁性材料對(duì)納米級(jí)超高集成化發(fā)展有著深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。2009年，Delmo等人[Nature 457(2009) 1112]在純Si基器件上發(fā)現(xiàn)了巨大磁電阻現(xiàn)象。他們?cè)谑覝?300K)、3T磁場下，實(shí)現(xiàn)了 1000%左右的磁電阻變化。同年，Schoonus等人[J. Phys. D Appl. Phys. 42(2009) 185011]亦在純Si器件中發(fā)現(xiàn)了顯著的磁電阻效應(yīng)，在室溫下可以實(shí)現(xiàn)1000%的磁阻響應(yīng)。然而，這些器件不僅在低磁場下靈敏度較低而且所需工作功率(0. IW 1W)較大，暫時(shí)無法滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用需求。在非磁性材料磁電阻現(xiàn)象研究上，除了 Si基巨磁電阻材料外，在其他體系中也發(fā)現(xiàn)了顯著的磁電阻現(xiàn)象。Solin等人[Science, 289 (2000) 1530]在InSb/Au結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了磁電阻現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)不僅具有較低磁場下的靈敏度而且其功耗較低，具備了優(yōu)異的磁電阻性能。然而，該器件的結(jié)構(gòu)和制備工藝復(fù)雜況且原料成本較高，不利于實(shí)際工業(yè)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)超高集成化的目的。鑒于以上現(xiàn)況，我們提出了可與Solin等人設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)磁阻器件相比擬的Si基幾何巨磁阻器件?？紤]到該Si基器件的幾何形狀對(duì)磁電阻效應(yīng)的影響，該器件有著可實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異磁電阻性能的潛力。如在常溫、I. 2T磁場作用下，可實(shí)現(xiàn)約3000%的磁電阻效應(yīng)，甚至在0. 06T磁場作用下，也達(dá)到5%以上的穩(wěn)定磁電阻效應(yīng)。這種設(shè)計(jì)的器件不僅比Delmo和Schoonus等人設(shè)計(jì)的器件擁有更高的磁電阻性能，而且由于該器件的功耗可達(dá)到UW級(jí)比我們以前公開的純Si基幾何巨磁電阻器件能耗上更加優(yōu)越。我們認(rèn)為Si基幾何巨磁阻器件已具備了工業(yè)實(shí)用化要求且具有廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為磁檢測及測控技術(shù)領(lǐng)域提供一種高效的巨磁阻器件及其簡單的制備方法。I、一種硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，該巨磁阻器件是p型和n型兩種Si(IOO)基片通過金屬鍵合(金屬壓焊或熔焊)而成的串聯(lián)型PN結(jié)構(gòu)；根據(jù)結(jié)構(gòu)可制備成層狀或側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)(如圖I所示)，對(duì)于層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，p型和n型Si基片的一面通過金屬鍵合對(duì)齊相接得到層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，在層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的上下表面上，各自設(shè)置2個(gè)電極共4個(gè)電極，這4個(gè)電極要上下左右相互對(duì)齊；對(duì)于側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，p型和n型兩種Si (100)基片的一側(cè)通過金屬鍵合對(duì)齊相接得到側(cè)聯(lián)型娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，在側(cè)聯(lián)型娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的同一側(cè)表面設(shè)置4個(gè)電極,其中p型和n型Si (100)基片上各2個(gè)，這4個(gè)電極形成的幾何形狀為矩形。幾何巨磁阻效應(yīng)的具體測量方法上，測量儀器利用的是Keithley 2400數(shù)字源表。電流源兩極各自連接于硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)同一側(cè)p型和n型硅基片上的電極，其兩個(gè)電流源電極間距用Lc表示；另一側(cè)p型和n型硅基片上則連接電壓表的兩極，其中同一基片上兩個(gè)電極的間距用W。表示，所述距離不包括兩個(gè)硅基片之間金屬層的厚度；電流源和電壓表的正極連接與P型(或n型)硅基片，負(fù)極則連接于n型(或p型)硅基片；對(duì)于層狀娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)外加磁場方向平行于娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)平面,對(duì)于側(cè)聯(lián)型娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)外加磁場方向則垂直于娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)平面。換言之，Wc即為接電流源與接電壓表的正(負(fù))電極之間的間距，Lc即為接電流源(或接電壓表)的正負(fù)電極之間的間距，為了實(shí)現(xiàn)低磁場下的巨大磁阻響應(yīng)，兩間距的比值優(yōu)選大于等于1，即We/Le> I。在這里要強(qiáng)調(diào)的是該硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的關(guān)鍵特征在于利用金屬鍵合拼接P型/n型兩種Si基片以構(gòu)成p-Si/金屬/n-Si串聯(lián)型異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)。該巨磁阻器件的接電流源和接電壓表的正(負(fù))電極之間的間距(Wc)和在接電流源(或接電壓表)的正負(fù)電極之間的間距(Lc)之比Wc/Lc> I時(shí)能夠顯著地提高磁電阻性能，這就是幾何巨磁阻器件的最大優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際需要選擇適當(dāng)We/L。比值的幾何巨磁阻器件可更有效地提高磁電阻性能，通常比值越大性能越好。圖I所示器件共有4個(gè)用功函數(shù)接近Si材料的金屬電極，其中2個(gè)用于連接電流源，另外2個(gè)用于連接電壓表。該器件的電極和Si基片之間有一層氧化層,氧化層厚度為大于0小于等于5nm。該氧化層可選用Si自身的自然氧化層(SiO2)或者人工沉積Si02、Al2O3或MgO等氧化層。上述電極及p型/n型娃基片鍵合采用功函數(shù)接近Si材料的金屬(①=4 5. 5eV)以盡可能實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，如In (銦)，Al (鋁)，Ag(銀)，Ti (鈦)，Au (金)、Ni (鎳)等。上述p型/n型兩種Si(IOO)基片需選用電阻率大于等于100Q cm、少子壽命大于IOii s的Si(IOO)基片。2、上述硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備方法，其中層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備方法如下(I)將n型和p型Si (100)基片清洗干凈，通?？捎帽?乙醇)超聲漂洗；(2)在Si基片的表面形成一層自然氧化層或者人工生成氧化層；(3)按照所需尺寸(W/L)切割相同尺寸的p型和n型單晶Si (100)基片，基片長度用L表不，覽度用W表不；(4)將功函數(shù)接近Si材料的金屬分別沉積或者等厚壓制在p型和n型單晶Si(IOO)基片的一面；(5)利用金屬鍵合(熔焊或壓焊法)將p型和n型單晶Si (100)基片的壓制(沉積)金屬的一面對(duì)齊相接，制備成P-Si基片/金屬/n-Si基片的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)(如金屬為In，應(yīng)在160 200°C下進(jìn)行熔接)；
(6)在層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的上下表面上按照所需尺寸(We/L。)和配置制作金屬電極，其4個(gè)電極必須要對(duì)齊；(7)將層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)置于加熱臺(tái)(或加熱箱)內(nèi)烘烤10 30分鐘(根據(jù)金屬特性，如金屬為In，見熔化即可)，再自然冷卻至室溫，使金屬電極和器件之間的接觸更加緊密，并完成硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備。側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備方法如下(I)將n型和p型Si (100)基片用丙酮(乙醇)超聲漂洗干凈；
(2)在Si基片的表面形成一層自然氧化層或者人工生成氧化層；(3)按照所需尺寸(W/L)切割相同尺寸的p型/n型單晶Si (100)基片；(4)利用金屬鍵合法將p型和n型單晶Si (100)基片的一側(cè)對(duì)齊相接，制備成p_Si基片/金屬/n-Si基片側(cè)聯(lián)型娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)；(6)在側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的表面按照所需尺寸(Wc/Lc)和配置制作金屬電極，其4個(gè)電極必須以矩形要一一對(duì)齊；(7)將側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)置于加熱臺(tái)上烘烤(退火)，再自然冷卻至室溫，完成側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備。鑒于金屬的自身特性，利用In金屬時(shí),在160 200°C下烘烤,見金屬熔化立即開始自然冷卻直至室溫；利用Al或Ag金屬時(shí)，則可以采用沉積法(或蒸鍍)制作電極后，在熔點(diǎn)以下溫度進(jìn)行退火即可。通過退火使P-Si基片/金屬/n-Si基片之間的接觸更加緊
r I I O所述氧化層的生成方法為，將純Si片洗凈后在室溫常壓下放置I分鐘以上，即得I. 2nm左右厚的自然SiO2氧化層。或者，利用氧化物沉積法人工沉積小于等于5nm厚度的Si02、Al2O3、MgO 等氧化層。本發(fā)明的有益效果為I、所制得的硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，在室溫(300K)、1.2T磁場、44 PA測試電流下，其磁電阻可以達(dá)到1000%量級(jí)；在室溫(3001()、1.21'磁場、2.4114測試電流下，其磁電阻仍然可達(dá)100%量級(jí)，具有很好的高場磁阻性能。2、該硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的磁電阻性能比普通硅基磁電阻器件更加穩(wěn)定。在0. 06T低磁場作用下，也達(dá)到5%以上較穩(wěn)定的磁電阻效應(yīng)。3、該硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件可以在5V和0. 05mA以內(nèi)的條件下正常工作，其功率在0. 25mff以下。4、該硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，不僅結(jié)構(gòu)簡單、原材料資源豐富，而且其制備工藝簡單，在磁檢測、磁電傳感及相關(guān)測控領(lǐng)域上有很好的應(yīng)用前景?？傊?，本發(fā)明的硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)巨磁阻器件，有非常敏感的磁阻效應(yīng)。在毫特(mT)級(jí)低磁場下磁阻變化可達(dá)到5%以上，如果適當(dāng)增加接電流源和接電壓表的正(負(fù))電極之間間距(Wc)和接電流源(電壓表)正負(fù)電極之間間距(Lc)的幾何比值，其磁阻在特斯拉(T)級(jí)磁場下可達(dá)到1000%量級(jí)。該磁阻器件的結(jié)構(gòu)和制備工藝簡單、對(duì)磁場的響應(yīng)非常靈敏，因此在磁檢測和磁電控制技術(shù)領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。


圖I為層狀和側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件及其磁電阻性能測試的示意圖；圖2為實(shí)施例1，不同磁場下We/L。= 5的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的磁阻性能；圖3為實(shí)施例2，I. 2T高磁場條件下Wc/Lc = 16的側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件磁阻性能。
圖4為實(shí)施例3，I. 2T高磁場條件下We/L。= 0. I的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件磁阻性能。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實(shí)施例I層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，該巨磁阻器件是p型和n型兩種Si (100)基片通過金屬In鍵合而成。所述基片表面有自然氧化層，兩種基片尺寸相同，都為長L =
8.5mm，寬W = 4mm,厚度為500 u m, p型和n型Si基片的一面通過金屬In鍵合對(duì)齊相接，在層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的上下表面上，各自設(shè)置2個(gè)電極共4個(gè)電極，這4個(gè)電極上下左右相互對(duì)齊；其中層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的同一側(cè)兩個(gè)上下對(duì)齊的電極接電流源，另一側(cè)兩個(gè)電極則接電壓表，位于不同硅基片且同一側(cè)的兩個(gè)電極的距離(即接電流源或電壓表的正負(fù)電極之間的間距)LC = LJL2 = 1mm，所述距離不包括兩個(gè)硅基片之間金屬層的厚度，L1為p型硅基片厚度，L2為n型硅基片厚度。位于同型硅基片的兩個(gè)電極的間距(即接電流源與接電壓表的正(負(fù))電極之間的間距)WC = 5mm, ffc/Lc = 5。上述幾何巨磁阻器件的制備方法為將厚度為500 u m電阻率為3000 Q cm雙面拋光的n型Si (100)基片和厚度為500 u m電阻率為100 Q -cm的雙面拋光的p型Si (100)基片用丙酮超聲漂洗干凈，所述Si (100)基片少子壽命大于IOy S，在室溫常壓下放置I分鐘以上，即得I. 2nm厚的SiO2氧化層，將基片裁剪成長L = 8. 5mm，寬W = 4mm的長條狀。利用高純軟金屬In( > 99. 9% )薄膜，在160 200°C下通過熔接法(見金屬熔化立即開始自然冷卻直至室溫)將P型和n型單晶Si (100)基片對(duì)齊相接。再用金屬In在上下兩種Si片表面上各壓制對(duì)齊的2個(gè)電極(共4個(gè)電極)。電極的尺寸為沿Si片長度方向I. 5mm,沿Si片寬度方向3. 5mm。如圖I所示，Lc = lmm, Wc = 5mm (即Wc/Lc = 5)。隨后將器件置于加熱臺(tái)上在160 200°C下加熱，見In要熔化立即開始自然冷卻直至室溫。至此一個(gè)層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件就制備完成了。所制備的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的結(jié)構(gòu)表征和界面結(jié)構(gòu)由TEMQE0L-2011)進(jìn)行觀察；IV性能由Keithley2400數(shù)字源表用四探針法測量；磁場由
I.2T永磁鐵和利用DH1720-4型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(0 70V，3A)的電磁鐵提供；特殊材料電極和金屬鍵合面由脈沖激光沉積(PLD)制作。該器件有4個(gè)電極，其中一對(duì)電極用來接恒流源，另外一對(duì)電極則用來接電壓表，如圖I所示。硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件中，硅表面的本征氧化層厚度約為I. 2nm。圖2為室溫(300K)、不同磁場條件下，所制得的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的磁阻性能實(shí)施例。從隨電流變化的磁阻曲線圖可以看出，該器件作為一種異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)在正向電流和反向電流下，其磁阻性能明顯不對(duì)稱。在一個(gè)特定電流值-I. 7 y A下，該器件的磁電阻性能表現(xiàn)非常突出。隨著磁場強(qiáng)度的逐漸增加，該器件的磁電阻性能表現(xiàn)得更加明顯。在較高的1200mT磁場下其磁電阻性能達(dá)到了 62%以上，且在較低磁場下，除61mT磁場下呈現(xiàn)5%左右穩(wěn)定的磁敏感度外，其他情況都達(dá)到了 18%以上的磁電阻性能。該硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的磁電阻性能，在較小幾何比值Vc/Lc = 5下已達(dá)到宏觀可辨的磁電阻性能。
附圖2的性能測試結(jié)果針對(duì)實(shí)施例I。測試示意圖針對(duì)所有層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件實(shí)施例。實(shí)施例2側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，該巨磁阻器件是p型和n型兩種Si(IOO)基片通過金屬In鍵合而成。所述基片表面有氧化層，兩種基片尺寸相同，都為長L=8. 5mm，寬W = 4mm,厚度為500 u m, p型和n型兩種Si (100)基片的一側(cè)通過金屬In鍵合對(duì)齊相接，在側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的一面設(shè)置4個(gè)電極，其中p型和n型Si (100)基片上各2個(gè)，這4個(gè)電極以矩形一一對(duì)齊。p型基片上的一個(gè)電極和同一側(cè)的n型基片上的電極接電流源，另外兩個(gè)電極接電壓表，位于同一基片的兩個(gè)電極的間距(即接電流源與接電壓表的正(負(fù))極之間的間距)W。= 6. 5mm;位于不同基片且同一側(cè)的兩個(gè)電極的距離(即接電流源或電壓表的正負(fù)電極之間的間距)Lc = L^L2 = 0. 4mm, L1為p型基片上的電極與金屬層的距離，L2為n型基片上的電極與金屬層的距離，Lc不包括金屬層厚度，即Wc/Lc=16。上述幾何巨磁阻器件的制備方法為將500 U m厚電阻率為3000 Q cm的雙面拋光的n型Si (100)基片和500 u m厚電阻率為100 Q -cm的雙(單)面拋光的p型Si (100)基片用丙酮超聲漂洗干凈，在室溫常壓下放置I分鐘以上，即得I. 2nm厚的SiO2氧化層，將基片裁剪成長L = 8. 5mm，寬W = 4mm的長條狀。利用高純軟金屬In( > 99. 9% )帶狀條，在160 200°C下通過熔接法(見金屬熔化立即開始自然冷卻直至室溫)將p型和n型單晶Si (100)基片的側(cè)面對(duì)齊相接。再用金屬In在兩種Si片表面上各壓制2個(gè)電極(共4個(gè)電極需矩形對(duì)齊)。電極的尺寸為沿Si片長度方向1mm，沿Si片寬度方向1.5mm。如圖I所示，Lc = 0. 4mm, Wc = 6. 5mm(約Wc/Lc = 16)。隨后器件再置于加熱臺(tái)上在160 200°C下加熱，見In要熔化立即開始自然冷卻直至室溫。至此一個(gè)側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件就制備完成了。本實(shí)施例制備的硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，在室溫、I. 2T的磁場下，其電阻變化也可以達(dá)到1000%以上，磁場靈敏度優(yōu)于已報(bào)道的Si基磁阻器件性能。在某些電流下，如在I. 2T磁場條件下，電流為44 i! A時(shí)即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2770%的磁阻效應(yīng)。該磁場靈敏度已經(jīng)可以與Solin等人發(fā)明的InSb基磁電阻器件相比擬。附圖3的性能測試結(jié)果針對(duì)實(shí)施例2。測試示意圖針對(duì)所有側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件實(shí)施例。實(shí)施例3層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，該巨磁阻器件是p型和n型兩種Si (100)基片通過金屬Al界面拼接而成，所述基片表面有氧化層，兩種基片尺寸相同，都為長L =7mm，寬W = 5mm,厚度為500 y m，p型和n型Si基片的一面通過金屬Al對(duì)齊相接，在層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的上下表面上，各自設(shè)置2個(gè)電極共4個(gè)電極，這4個(gè)電極上下左右對(duì)齊，其中兩個(gè)上下對(duì)齊的電極接電流源，另外兩個(gè)電極接電壓表，位于同一基片的兩個(gè)電極的間距Wc = 0. Imm,位于不同基片且同側(cè)的兩個(gè)電極的距離Lc = lmm, ffc/Lc = 0. I。
上述幾何巨磁阻器件的制備方法為將厚度為500 U m電阻率為1000 Q cm雙面拋光的n型Si (100)基片和厚度為500 u m電阻率為1000 Q -cm的雙面拋光的p型Si (100)基片用丙酮超聲漂洗干凈，在室溫常壓下放置I分鐘以上，即自然氧化得到SiO2層，將基片裁剪成長L = 7_，寬W = 5_的長方形狀。分別在p型和n型兩種Si基片的一面沉積(利用PLD)功函數(shù)較小的高純金屬Al薄膜，然后利用壓焊法(利用高純軟金屬銦)將p型和n型單晶Si (100)基片沉積金屬的一面對(duì)齊相接。再利用金屬Al沉積(利用PLD)在上下兩種Si片表面上各壓制對(duì)齊的2個(gè)電極(共4個(gè)電極)。電極的尺寸為沿Si片長度方向
I.5mm,沿Si片寬度方向2mm。Lc = 1mm, Wc = 0. Imm (即Wc/Lc = 0. I)。隨后將器件置于加熱臺(tái)上在160 200°C下加熱，見鍵合用金屬銦熔化立即開始自然冷卻直至室溫。至此一個(gè)層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件就制備完成。采用金屬Al電極的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件(We/L。= 0. I)，在室溫、I. 2T磁場條件下，電流為-10 u A時(shí)也可實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%以上的磁阻效應(yīng)(見圖4)。附圖4的性能測試結(jié)果針對(duì)實(shí)施例3。測試示意圖針對(duì)所有采用金屬Al電極的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件實(shí)施例。綜上所訴，我們發(fā)明的硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的工作電壓為5V以下、功率為0. 25mff以下，其磁阻性能顯著而穩(wěn)定。該器件不僅結(jié)構(gòu)簡單而且其制備工藝也簡單。不僅如此，該器件的整個(gè)制造過程簡單易行，原材料來源豐富，成本低。因此這種器件在磁檢測、磁控及磁傳感領(lǐng)域有很好的潛在應(yīng)用前景。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭示的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件，其特征在于該巨磁阻器件是p型和n型兩種Si (100)基片通過金屬鍵合而成，該巨磁阻器件為層狀或側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)； 對(duì)于層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，p型和n型Si基片的一面通過金屬鍵合對(duì)齊相接得到層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，在層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的上下表面上，各自設(shè)置2個(gè)電極共4個(gè)電極，這4個(gè)電極要上下左右相互對(duì)齊；對(duì)于側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，p型和n型兩種Si (100)基片的一側(cè)通過金屬鍵合對(duì)齊相接得到側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，在側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的一面設(shè)置4個(gè)電極，其中p型和n型Si (100)基片上各2個(gè)，這4個(gè)電極形成的幾何形狀為矩形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的幾何巨磁阻器件，其特征在于在進(jìn)行幾何巨磁阻效應(yīng)的測量時(shí)，電流源兩極各自連接于硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)同一側(cè)p型和n型硅基片上的電極，其兩個(gè)電流源電極間距用Lc表示，另一側(cè)p型和n型硅基片上則連接電壓表的兩極，其中同一基片上兩個(gè)電極的間距用\表示，所述間距不包括兩個(gè)硅基片之間金屬層的厚度，ffc/Lc ^ I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的幾何巨磁阻器件，其特征在于所述基片表面有氧化層，氧化層厚度大于0小于等于5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的幾何巨磁阻器件，其特征在于所述氧化層為Si02、Al2O3或MgO0
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的幾何巨磁阻器件，其特征在于所述的電極及p型和n型硅基片的金屬鍵合采用的金屬的功函數(shù)O = 4 5. 5eV。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的幾何巨磁阻器件，其特征在于所述的金屬為銦、鋁、銀、鈦、金或鎳。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的幾何巨磁阻器件，其特征在于所述n型和p型Si(100)基片的電阻率大于等于100Q cm,且少子壽命大于IOy S。
8.權(quán)利要求I至7任意一個(gè)權(quán)利要求所述的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備方法，其特征在于該制備方法包括如下步驟 (1)將n型和p型Si(100)基片清洗干凈； (2)在Si基片的表面形成一層自然氧化層或者人工生成氧化層； (3)按照所需尺寸切割相同尺寸的p型和n型單晶Si(100)基片； (4)將金屬分別沉積或者壓制在p型和n型單晶Si(100)基片的一面； (5)利用金屬鍵合將p型和n型單晶Si(100)基片對(duì)齊相接，制備成P-Si基片/金屬/n-Si基片的層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)； (6)在層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的上下表面上按照所需尺寸和配置制作金屬電極； (7)將層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)置于加熱臺(tái)或加熱箱內(nèi)烘烤，再自然冷卻至室溫，完成層狀硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備。
9.權(quán)利要求I至7任意一個(gè)權(quán)利要求所述的側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備方法，其特征在于該制備方法包括如下步驟 (1)將n型和p型Si(100)基片清洗干凈； (2)在Si基片的表面形成一層自然氧化層或者人工生成氧化層； (3)按照所需尺寸切割相同尺寸的p型和n型Si(100)基片； (4)利用金屬鍵合將p型和n型Si(100)基片的一側(cè)對(duì)齊相接，制備成P-Si基片/金屬/n-Si基片的側(cè)聯(lián)型娃基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)； (6)在側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)的同一側(cè)表面按照所需尺寸和配置制作金屬電極； (7)將側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)置于加熱臺(tái)上烘烤，再自然冷卻直至室溫，完成側(cè)聯(lián)型硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)幾何巨磁阻器件的制備。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其特征在于所述氧化層的生成方法為將洗凈后的Si (100)基片在室溫常壓下放置I分鐘以上，即得SiO2氧化層；或者，利用氧化物沉積法人工沉積小于等于5nm厚度的氧化薄層。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于磁檢測和磁傳感器材料以及相關(guān)測控器件技術(shù)領(lǐng)域的一種硅基異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)巨磁阻器件及其制備方法。該硅基巨磁阻器件是將p型/n型單晶Si(100)基片通過金屬壓焊或熔接(金屬鍵合)制成p-Si/金屬/n-Si串聯(lián)型異質(zhì)PN結(jié)構(gòu)，制備時(shí)將p型/n型Si基片用丙酮(或酒精)漂洗干凈后裁剪并進(jìn)行金屬鍵合，用功函數(shù)功函數(shù)接近Si材料的金屬沉積(或者壓制)法制作電極于p型/n型Si基片。在每個(gè)Si基片上各設(shè)有2個(gè)電極，4個(gè)電極必須一一對(duì)齊。該磁阻器件的結(jié)構(gòu)和制備工藝簡單、對(duì)磁場的響應(yīng)-靈敏，因此在磁檢測和磁電控制技術(shù)領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01L43/08GK102623630SQ20121011052
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者萬蔡華, 樸紅光, 王集敏, 章曉中, 高熙禮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)