專利名稱：一種砷化鎵基幾何巨磁電阻器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁場(chǎng)檢測(cè)和磁場(chǎng)傳感器材料以及器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種砷化鎵基幾何巨磁電阻器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
自 1988 年 A. Fert 和 Peter Griinberg (Phys. Rev. Lett. 61(1988) 2472)發(fā)現(xiàn)Fe/Cr多層膜中的巨磁阻效應(yīng)(GMR)以來(lái)，該效應(yīng)的應(yīng)用給人們的生活帶來(lái)了巨大革新。GMR和與之類似的隧道磁電阻效應(yīng)(TMR)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)，高靈敏度磁性傳感器和空間技術(shù)等領(lǐng)域。然而，它們主要原材料為磁性金屬材料和稀土材料等。隨著稀土 資源的不斷緊張，尋找新型材料成為了一種趨勢(shì)。隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在非磁 性材料體系(如Si，GaAs)中也存在磁阻效應(yīng)。GaAs材料是信息、光電子和光學(xué)工業(yè)中的主流材料，但有關(guān)其磁學(xué)器件性能的研究很少。2007 年，Wang 等人(Appl. Phys. Lett, 90 (2007) 252106)發(fā)現(xiàn)了6&六8/^16&八8二維電子氣在低溫20 K和6 T高磁場(chǎng)條件下，顯示了 1300%的磁電阻現(xiàn)象，然而低溫和高磁場(chǎng)條件限制了該器件的應(yīng)用。Michel等人(Appl. Phys. Lett, 92 (2008) 223119)則通過(guò)控制GaAs中Mn的摻雜位置與濃度來(lái)調(diào)控GaAs的磁電阻性能，也實(shí)現(xiàn)了低溫和高場(chǎng)下顯著的磁電阻效應(yīng)。另外，Yokoyama等人(J. Appl. Phys, 99, (2006) 08D502)在室溫下,于Mn摻雜的GaAs體系中，實(shí)現(xiàn)了 600%的磁電阻,然而工作電壓卻為110V。以上這些器件要么不能在室溫附近工作，要么工作電壓太大，因此離工業(yè)應(yīng)用尚有距離。除了砷化鎵基巨磁阻電阻材料，其他體系也可實(shí)現(xiàn)磁阻特性，如Solin等人(Science, 289 (2000) 1530)發(fā)明的InSb/Au結(jié)構(gòu)磁阻。這種結(jié)構(gòu)雖然性能優(yōu)異，但是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于器件的小型化，而且制備工藝復(fù)雜，原料成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種砷化鎵基幾何巨磁電阻器件及其制備方法。如圖I所示，一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于在矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片表面的4個(gè)角上分別設(shè)置I個(gè)金屬電極；4個(gè)金屬電極呈矩形或梯形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)金屬電極之間的間距用Lc表示，在寬度方向上的兩個(gè)金屬電極之間的間距用\表示，兩間距的比值大于0. 5，即Lc/Wc >0. 5。所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的任一邊長(zhǎng)度為0. 5 mnT20mmD所述矩形單晶GaAs(IOO)或矩形單晶GaAs(Ill)基片的電阻率大于1000 Q 'Cm0所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的遷移率大于1000 cm2/Vs。所述金屬電極為金屬In、Al或Ti。
一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件的制備方法，其特征在于，該方法具體步驟如下(I)將矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成矩形；(2)在矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的表面4個(gè)角上分別沉積或壓制I個(gè)金屬電極。所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的任一邊長(zhǎng)度為0. 5 mnT20mmD所述矩形單晶GaAs(IOO)或矩形單晶GaAs(Ill)基片的電阻率大于1000 Q 'Cm0所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的遷移率大于1000 cm2/Vs。所述金屬電極為金屬In、Al或Ti。本發(fā)明的有益效果為I.所得到的砷化鎵基幾何巨磁阻器件在溫度300 K，磁場(chǎng)1.2 T，測(cè)試電流為22nA條件下，具有顯著的磁電阻效應(yīng)。2.所得到的砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其磁電阻大于常規(guī)GaAs基磁電阻器件的磁電阻(根據(jù)理論推算，磁阻等于(PB)2，約為30%)。3.所得到的砷化鎵基幾何巨磁阻器件工作在20 V和20 nA左右條件下，功率在
0.4 u W級(jí)別，小于I ii W級(jí)別。4.所得到的砷化鎵基幾何巨磁阻器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原材料價(jià)格適中，制備工藝簡(jiǎn)單，且環(huán)境友好。


圖Ia和圖Ib分別為砷化鎵基幾何巨磁阻器的磁電阻性能測(cè)試示意圖和砷化鎵基幾何巨磁阻器的側(cè)視示意圖。圖2為實(shí)施例I的砷化鎵基幾何巨磁阻器件電流電壓曲線與磁場(chǎng)依賴特性曲線。圖3為實(shí)施例I的砷化鎵基幾何巨磁阻器件電阻與時(shí)間依賴特性曲線。圖中標(biāo)號(hào)I-金屬電極；2_GaAs基片。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種砷化鎵基幾何巨磁電阻器件及其制備方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I將電阻率為IO7 Q cm的半絕緣GaAs (100)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 7.0 mm，寬W = 2.3 mm的矩形。用高純軟金屬In (純度>99. 9%)壓制金屬電極于矩形GaAs基片的4個(gè)角上。金屬電極的尺寸為沿GaAs基片長(zhǎng)度方向I. 0 mm,沿GaAs基片寬度方向0. 9 mm。因此Lc = 5.0 mm,Wc = 0. 5 mm。至此一個(gè)砷化鎵基幾何巨磁阻器件就制備完成了。在用四電極法測(cè)量器件磁阻性能時(shí)，連接其中寬度方向上兩個(gè)相鄰金屬電極的電流源提供電流，連接寬度方向上另外兩個(gè)相鄰金屬電極的電壓表測(cè)試電壓。在長(zhǎng)度方向上一對(duì)相鄰金屬電極之間連接一個(gè)二極管，所使用的二極管為硅基、鍺基或砷化鎵基類二極管，并沿垂直于器件表面的方向施加磁場(chǎng)，其中垂直于器件表面向上的方向?yàn)榇艌?chǎng)正方向。電流源提供電流超過(guò)100 ms后，即電壓表讀數(shù)穩(wěn)定后，開始采集電壓數(shù)據(jù)。所制備的砷化鎵基幾何巨磁阻器件，使用了反向擊穿電壓為10 V的穩(wěn)壓二極管后，電流電壓性能用四電極法由高精度源表Keithley6430作為電流源、高阻表Keithley6517作為電壓表測(cè)量；磁場(chǎng)由I. 2 T永磁鐵和0. 4 T連續(xù)變化的電磁鐵提供，磁阻性能在磁場(chǎng)中用Keithley6430和Keithley6517測(cè)量。如圖2所示，在同樣的測(cè)試電流下，在I. 2 T磁場(chǎng)條件下所測(cè)得的電壓值要顯著大于0 T磁場(chǎng)條件下下的電壓值。而且磁場(chǎng)對(duì)電流電壓曲線的改變?cè)陔娏鞔笥?0 nA的情況下特別明顯。如圖3所示，在電流為22 1^時(shí)，1.2 T磁場(chǎng)條件下，其磁電阻可達(dá)到3000%，這個(gè)大小的磁電阻已經(jīng)比常規(guī)砷化鎵基磁電阻器件的磁電阻大2個(gè)數(shù)量級(jí)。常規(guī)GaAs基磁電阻器件的磁電阻，在I T條件下，為30%左右。所得砷化鎵基磁電阻器件在610mT時(shí)，最佳磁電阻可達(dá)43. 6%。實(shí)施例2·將電阻率為IO7 Q cm的半絕緣GaAs (100)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 4. 3 mm，寬W = 2. 3 mm的矩形。用高純軟金屬In (純度>99. 9%)壓制電極于矩形GaAs基片的4個(gè)角上。電極的尺寸為沿GaAs基片長(zhǎng)度方向I. 15 mm,沿GaAs基片寬度方向0.9 mm。因此Lc = 2. 0 mm, Wc = 0. 5 mm。至此一個(gè)砷化鎵基幾何巨磁阻器件就制備完成了。所制備的砷化鎵基幾何巨磁阻器，其測(cè)試方法、條件及器材與實(shí)施例I相同。在電流為24 nA時(shí)，在I. 2 T磁場(chǎng)條件下，其磁電阻可達(dá)到700%。實(shí)施例3將電阻率為IO7 Q cm的半絕緣GaAs (100)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 4. 3 mm，寬W = 2. 3 mm的矩形。用高純軟金屬In (純度>99. 9%)壓制電極于矩形GaAs基片的4個(gè)角上。電極的尺寸為沿GaAs基片長(zhǎng)度方向I. 15 mm,沿GaAs基片寬度方向0.9 mm。因此Lc = 2. 0 mm, Wc = 0. 5 mm。至此一個(gè)砷化鎵基幾何巨磁阻器件就制備完成了。所制備的砷化鎵基幾何巨磁阻器，使用了反向擊穿電壓為15V的穩(wěn)壓二極管，其測(cè)試方法、條件及器材與實(shí)施例I相同。在電流為24 nA時(shí)，在I. 2 T磁場(chǎng)條件下，其磁電阻可達(dá)到1000%。實(shí)施例4將電阻率為IO7 Q cm的半絕緣GaAs (100)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 9.0 mm，寬W = 3.2 mm的矩形。用激光脈沖沉積法(PLD)轟擊高純金屬Ti靶(純度>99. 99%)，沉積電極于矩形GaAs基片的4個(gè)角上。電極的尺寸為沿GaAs基片長(zhǎng)度方向2. 0 mm,沿GaAs基片寬度方向I. 5 mm。因此Lc = 5. 0 mm, Wc = 0. 2 mm。至此一個(gè)砷化鎵基幾何巨磁阻器件就制備完成了。所制備的砷化鎵基幾何巨磁阻器，其測(cè)試方法、條件及器材與實(shí)施例I相同。在電流為128 nA時(shí)，在I. 2 T磁場(chǎng)條件下，其磁電阻可達(dá)到3800%。實(shí)施例5
將電阻率為IO7 Q cm的半絕緣GaAs (100)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成長(zhǎng)L = 9.0 mm，寬W = 3.2 mm的矩形。用激光脈沖沉積法(PLD)轟擊高純金屬Al靶(純度>99. 99%)，沉積電極于矩形GaAs基片的4個(gè)角上。電極的尺寸為沿GaAs基片長(zhǎng)度方向2. 0 mm,沿GaAs基片寬度方向I. 5 mm。因此Lc = 5. 0 mm, Wc = 0. 2 mm。至此一個(gè)砷化鎵基幾何巨磁阻器件就制備完成了。
所制備的砷化鎵基幾何巨磁阻器，其測(cè)試方法、條件及器材與實(shí)施例I相同。在電流為84 nA時(shí)，在I. 2 T磁場(chǎng)條件下，其磁電阻可達(dá)到2100%。
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于在矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs(Ill)基片表面的4個(gè)角上分別設(shè)置I個(gè)金屬電極；4個(gè)金屬電極呈矩形或梯形，其中，在長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)金屬電極之間的間距用Lc表示，在寬度方向上的兩個(gè)金屬電極之間的間距用W。表示，兩間距的比值大于0. 5，即Lc/% >0. 5。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的任一邊長(zhǎng)度為0. 5 mm 20 mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的電阻率大于1000 Q *011。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的遷移率大于1000 cm2/Vs。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述金屬電極為金屬In、Al或Ti。
6.如權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件的制備方法，其特征在于，該方法具體步驟如下 (1)將矩形單晶GaAs(100)或矩形單晶GaAs (111)基片用酒精或丙酮漂洗干凈，并將其裁剪成矩形； (2)在矩形單晶GaAs(100)或矩形單晶GaAs (111)基片的表面4個(gè)角上分別沉積或壓制I個(gè)金屬電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的任一邊長(zhǎng)度為0. 5 mm 20 mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的電阻率大于1000 Q *011。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述矩形單晶GaAs (100)或矩形單晶GaAs (111)基片的遷移率大于1000 cm2/Vs。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種砷化鎵基幾何巨磁阻器件，其特征在于所述金屬電極為金屬In、Al或Ti。
全文摘要
本發(fā)明屬于磁場(chǎng)檢測(cè)和磁場(chǎng)傳感器材料以及器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種砷化鎵基幾何巨磁電阻器件及其制備方法。該砷化鎵基幾何巨磁電阻器件在矩形單晶GaAs(100)或矩形單晶GaAs(111)基片表面的4個(gè)角上分別設(shè)有1個(gè)金屬電極，4個(gè)金屬電極呈矩形或梯形。其制備方法為將GaAs 基片用酒精或丙酮漂洗干凈后裁剪成矩形，將高純軟金屬分別沉積或壓制成金屬電極于矩形單晶GaAs基片的4個(gè)角上，即可得到砷化鎵基幾何巨磁阻器件。所得到的砷化鎵基幾何巨磁阻器件具有顯著的磁電阻效應(yīng)，其磁電阻大于常規(guī)GaAs基磁電阻器件的磁電阻。所得到的砷化鎵基幾何巨磁阻器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原材料價(jià)格適中，制備工藝簡(jiǎn)單，且環(huán)境友好。
文檔編號(hào)H01L43/12GK102709468SQ201210220038
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者萬(wàn)蔡華, 樸紅光, 王集敏, 章曉中 申請(qǐng)人:清華大學(xué)