一種具有整流磁電阻效應(yīng)的磁傳感器及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有整流磁電阻效應(yīng)的磁傳感器及其制備方法與應(yīng)用，屬于磁檢 測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電阻率隨著磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象稱(chēng)之為磁電阻，通常定義為一個(gè)無(wú)量綱的比值 MR= ，其中R(H)力外石茲gHT白勺且，R(〇) 外石茲白勺。石茲 的發(fā)現(xiàn)極大的促進(jìn)了磁存儲(chǔ)和磁傳感器的發(fā)展。1857年，Thomson在鐵磁金屬中發(fā)現(xiàn)了各 向異性磁電阻現(xiàn)象，揭開(kāi)了磁電阻效應(yīng)的研宄篇章。1988年，F(xiàn)ert和Grilnberg分別獨(dú)立在 鐵\鉻\鐵多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，并因此共享了 2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。由于具 有比各向異性磁電阻高的磁電阻比值，基于巨磁電阻效應(yīng)的磁傳感器、磁頭等發(fā)展迅速，已 經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。隨后，在Al2O3和MgO作為勢(shì)皇層的鐵磁\絕緣體\鐵磁三 明治結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了巨大的隧穿磁電阻效應(yīng)。由于其磁電阻比值更高，功耗更低，更易集成的 優(yōu)點(diǎn)，隧穿磁電阻效應(yīng)引起了廣泛的研宄熱潮。
[0003] 在Si、Ge、InSb、GaAs等非磁材料中發(fā)現(xiàn)了奇異磁電阻效應(yīng)。該類(lèi)材料的磁電阻 比值更大，據(jù)報(bào)道可以在室溫、3T磁場(chǎng)下達(dá)到1000%的磁電阻（Nature457 (2009)，1112)。 且電阻率隨著磁場(chǎng)增加呈現(xiàn)近似線性增加，沒(méi)有飽和現(xiàn)象。該類(lèi)磁電阻器件不存在磁性部 分，不存在磁性器件難以克服的納米尺寸范圍內(nèi)的超順磁轉(zhuǎn)變，更利于器件的小型化，以及 高密度集成。再者，硅和鍺的儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，基于硅和鍺的磁電阻更易和現(xiàn)如今的半 導(dǎo)體集成工藝結(jié)合和大規(guī)模生產(chǎn)。然而該類(lèi)磁電阻需要的電壓較高，一般需要幾百伏，最小 的電壓報(bào)道為幾伏，功耗都在mW量級(jí)以上，如此高的功耗不利于實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 目前磁傳感器的應(yīng)用操作是，將磁傳感器放置于磁場(chǎng)中，在傳感器兩端加上一個(gè) 直流電流，同時(shí)檢測(cè)傳感器兩端的電壓降。外部磁場(chǎng)通過(guò)磁電阻效應(yīng)調(diào)節(jié)器件的電阻率，從 而器件兩端的電壓降發(fā)生相應(yīng)變化，故器件的電壓降代表了磁場(chǎng)的變化。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的 磁電阻效應(yīng)包括各向異性磁電阻、巨磁電阻效應(yīng)、隧穿磁電阻效應(yīng)、龐磁阻效應(yīng)、奇異磁電 阻效應(yīng)等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有整流磁電阻效應(yīng)的磁傳感器。本發(fā)明 所述的磁傳感器具有更高的信噪比和測(cè)量精度。本發(fā)明的原理是：利用鍺基、硅基半導(dǎo)體上 形成的磁場(chǎng)可調(diào)控的肖特基勢(shì)皇，測(cè)量整流電壓隨磁場(chǎng)變化，和直流磁電阻相比，其具有更 大的磁電阻比值，以及更小的功耗。
[0006] 本發(fā)明還提供一種上述磁傳感器的制備方法。
[0007] 本發(fā)明還提供一種上述磁傳感器的應(yīng)用方法。
[0008] 術(shù)語(yǔ)說(shuō)明：
[0009] 1、整流效應(yīng)：導(dǎo)電性能會(huì)隨著電流極性發(fā)生變化，例如，通入正向電流器件處于導(dǎo) 通狀態(tài)，通入反向電流，器件處于關(guān)斷狀態(tài)。
[0010] 2、肖特基勢(shì)皇：具有整流特性的金屬和半導(dǎo)體接觸。
[0011] 3、整流磁電阻效應(yīng)：輸入一個(gè)純的正弦交流電流，測(cè)量整流后的直流電壓，整流電 壓隨著磁場(chǎng)變化的現(xiàn)象就是整流磁電阻。
[0012] 4、各向異性磁電阻：指鐵磁材料的電阻率隨自身磁化強(qiáng)度和電流方向夾角改變而 變化的現(xiàn)象。
[0013] 5、巨磁電阻效應(yīng)：在鐵磁金屬\正常金屬\鐵磁金屬多層膜中由于自旋相關(guān)散射 效應(yīng)導(dǎo)致的磁電阻現(xiàn)象。
[0014] 6、隧穿磁電阻效應(yīng)：在鐵磁\絕緣體\鐵磁異質(zhì)結(jié)中由于自旋相關(guān)隧穿效應(yīng)導(dǎo)致 的磁電阻現(xiàn)象。
[0015] 7、所述本征鍺或本征硅是指：導(dǎo)電靠本征激發(fā)的本征載流子起主導(dǎo)作用的高純鍺 或高純度硅。
[0016] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0017] 一種具有整流磁電阻效應(yīng)的磁傳感器，包括在半導(dǎo)體上形成的可磁場(chǎng)調(diào)控的肖特 基勢(shì)皇，以使所述磁傳感器具有整流磁電阻效應(yīng)。本發(fā)明所述的磁傳感器包括肖特基勢(shì)皇， 既具有整流效應(yīng)，又具有磁電阻效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)交變的電流通過(guò)該磁傳感器時(shí)，在該磁傳感器 兩端產(chǎn)生一個(gè)整流電壓。并且該磁傳感器的整流特性會(huì)隨著外部磁場(chǎng)的變化而發(fā)生變化， 所以整流電壓會(huì)隨著外磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)檢測(cè)整流電壓的變化即可反推得到外部磁 場(chǎng)的變化。該磁傳感器可應(yīng)用于磁存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取，或者測(cè)量外磁場(chǎng)。通過(guò)本發(fā)明的磁傳 感器能夠獲得比直流測(cè)量更大的磁電阻比值，能夠增大磁傳感器的信噪比，提高測(cè)量精度 和磁存儲(chǔ)器件的容錯(cuò)能力。并且該器件工作電壓很低，具有低功耗的優(yōu)勢(shì)。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述磁場(chǎng)可調(diào)控的肖特基勢(shì)皇的數(shù)量為一個(gè)或多個(gè)；所述磁 場(chǎng)可調(diào)控的肖特基勢(shì)皇包括相接觸的金屬電極和半導(dǎo)體。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體的電阻率大于ID?cm。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體為鍺基半導(dǎo)體、硅基半導(dǎo)體或砷化鎵半導(dǎo)體；所述 鍺基半導(dǎo)體包括n型鍺、p型鍺或本征鍺；所述娃基半導(dǎo)體包括n型娃、p型娃或本征娃。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述金屬電極為In、Al、Au、Cu、Ta或Ni。
[0022] 一種上述磁傳感器的制備方法，包括步驟如下：
[0023] (1)以所述半導(dǎo)體為襯底；
[0024] (2)在所述半導(dǎo)體上壓制或沉積兩個(gè)金屬電極；上述沉積過(guò)程可用金屬掩模、光 刻或者電子束曝光等方法控制金屬電極形狀和尺寸；
[0025] (3)將所述兩個(gè)金屬電極分別進(jìn)行退火處理，通過(guò)調(diào)整退火的時(shí)間和溫度，使在所 述半導(dǎo)體上分別形成不對(duì)稱(chēng)的肖特基接觸，或肖特基接觸和歐姆接觸。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟（1)中，將上述半導(dǎo)體裁切成長(zhǎng)寬尺寸為5_X2_ 的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟（2)中，所述金屬電極的尺寸為2_X1_。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在進(jìn)行所述步驟（2)之前，在所述半導(dǎo)體表面制備形成該半 導(dǎo)體的氧化物層。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述氧化物層的厚度為2nm。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述磁傳感器的制備方法，其中，所述磁傳感器為長(zhǎng)條狀本征 鍺整流磁電阻傳感器，所述本征鍺的電阻率為55. 6-59. 4Q?cm，當(dāng)所述磁場(chǎng)可調(diào)控的肖特 基勢(shì)皇為兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)的肖特基勢(shì)皇時(shí)，包括步驟如下：
[0031] (1)將本征鍺用去離子水、酒精、丙酮、酒精分別超聲10分鐘，然后放入烘箱烘烤， 溫度設(shè)定100°C，時(shí)間為兩個(gè)小時(shí)；將本征鍺裁剪成5mmX2mm的長(zhǎng)條狀；由于暴露在空氣 中，在本征鍺的表面會(huì)形成一層厚度為2nm的氧化物；
[0032] (2)在本征鍺上壓制In電極，In電極的尺寸為2mmXImm;
[0033] (3)利用電烙鐵將所述In電極融化，兩端In電極分別融化的時(shí)間不同：左邊In電 極與烙鐵接觸時(shí)間為30s，右邊In電極的接觸時(shí)間為10s，使在所述本征鍺上分別形成兩個(gè) 不對(duì)稱(chēng)的肖特基勢(shì)皇。
[0034] 一種上述磁傳感器的制備方法，其中所述磁傳感器為圓環(huán)狀本征鍺整流磁電阻傳 感器，所述本征鍺的電阻率為55. 6-59. 4Q?cm，當(dāng)所述磁場(chǎng)可調(diào)控的肖特基勢(shì)皇的數(shù)量為 一個(gè)時(shí)，包括步驟如下：
[0035] (1)將的本征鍺用去離子水、酒精、丙酮、酒精分別超聲10分鐘，然后放入烘箱烘 烤，溫度設(shè)定100°c，時(shí)間為兩個(gè)小時(shí)；由于暴露在空氣中，本征鍺的表面會(huì)形成一層厚度 為2nm的氧化物；
[0036] (2)在所述本征鍺上滴光刻膠，并將光刻膠甩勻，烘干；用漏光部分為寬度為 50um，內(nèi)徑為175um的圓環(huán)狀光刻板置于本征鍺前端，然后曝光；光刻膠曝光之后放入顯影