CN102520377A - 增强型半导体-金属复合结构磁场传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，包括：一绝缘衬底；一半导体材料层，为条状结构，制作在绝缘衬底上；两条金属电流引线，制作在绝缘衬底上，其一端与半导体材料层的一侧连接；两条金属电压引线，制作在绝缘衬底上，其一端与半导体材料层的一侧连接，并位于两条金属电流引线之间；一金属分流器，制作在绝缘衬底上，位于半导体材料层的一侧并与之连接；一绝缘层，制作在半导体材料层上；一永磁层，制作在绝缘保护层上，该永磁层具有垂直磁各向异性；一保护层制作在永磁层上。
Description
技术领域
本发明属于磁存储及信息技术领域，特别涉及一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的发展及计算机网络的普及，人们对于超高密度信息存储(＞1Tb/in2)的需求越来越迫切。但目前基于巨磁阻效应(GMR)和隧道磁阻效应(TMR)的硬盘读磁头读取极限仅为几百Gb/in2，成为海量信息存储所面临的一个瓶颈。研究开发新型的读磁头材料与技术成为一个迫在眉睫的课题。Solin小组于2000年发现，半导体-金属(特别是InSb-Au)复合结构具有巨大的磁阻效应，学界一般称之为异常磁阻效应(extraordinarymagnetoresistance，EMR)。InSb-Au复合结构在0.25及4特斯拉磁场下磁阻值分别可高达-1×104％和-1×106％，远大于一般的半导体几何磁阻效应，也大于迄今已知的任何一种物理磁阻效应，非常有望应用于未来的超高密度信息读取技术。
EMR传感器能否应用于超高密度信息读取的关键在于提高其对低场的响应。在小磁场条件下，EMR近似与B2(B为磁场强度)成正比。因此EMR在高场下的磁阻值尽管非常可观，但在低场下效果却不是非常理想。人们设计了许多方法力图克服这一问题，但效果均不十分理想。例如，一个通常采用的方案是对条形EMR传感器进行几何优化，这涉及到通过对电流、电压引线排布方式的调控进而调节低场磁阻。由于EMR传感器的应用领域为超高密度信息读取，意味着其尺寸在纳米量级，而在纳米尺度下精确控制引线线宽及间距，在目前的技术条件下实现起来难度很大，代价高昂。到目前为止，仍缺少一种简洁、有效、低成本的方案来解决EMR传感器的低场响应问题，极大地制约了其走向实用化的进程。
本发明针对这一难题，提出利用偏置磁场来对EMR传感器的低场磁阻进行有效调控，其中偏置磁场由一层具有垂直各向异性的永磁材料提供。利用垂直磁场(垂直永磁层膜面)将永磁层磁化至饱和。去掉磁场后永磁层沿垂直膜面方向的饱和磁矩仍然存在，这相当于对半导体-金属复合结构提供了一个偏置磁场。当利用半导体-金属复合结构EMR传感器进行外磁场测量时，传感器实际感受到的磁场为外磁场信号与偏置磁场的叠加，这就相当于使传感器的R-M曲线沿M轴产生了平移(平移幅度为偏置磁场)。由于EMR传感器R-M曲线(在磁场不是很大时)近似为二次函数，即磁阻在磁场很小时不是非常理想，因此对EMR传感器施加偏置磁场事实上就大幅提高了其低场响应度。在我们的方案中，可通过调节永磁层厚度(饱和磁化强度)来改变偏置磁场大小，这样就能有效调控EMR传感器低场性能。此外，通过调节偏置磁场大小，除了能提高器件的低场响应，还可将低场R-M曲线移至线性区，这对于利用EMR传感器进行信号处理相当有利，也具有巨大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器及其制备方法，具有成本低廉简单便捷，可很好地与EMR传感器的工艺兼容，具有很高的工作稳定性和可靠性。
为达到上述目的，本发明提供一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，包括：
一绝缘衬底；
一半导体材料层，为条状结构，制作在绝缘衬底上；
两条金属电流引线，制作在绝缘衬底上，其一端与半导体材料层的一侧连接；
两条金属电压引线，制作在绝缘衬底上，其一端与半导体材料层的一侧连接，并位于两条金属电流引线之间；
一金属分流器，制作在绝缘衬底上，位于半导体材料层的一侧并与之连接；
一绝缘层，制作在半导体材料层上；
一永磁层，制作在绝缘保护层上，该永磁层具有垂直磁各向异性；
一保护层，制作在永磁层上。
本发明还提供一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一绝缘衬底，并将之清洗干净；
步骤2：在绝缘衬底上生长或通过层转移技术制备一层具有高载流子迁移率的半导体材料层；
步骤3：在半导体材料层的表面覆盖光刻胶，刻蚀，使剩余的半导体材料形成台面结构；
步骤4：在半导体材料形成的台面结构两侧制作出两条金属电流引线、两条金属电压引线及一金属分流器；
步骤5：在半导体材料层的表面沉积绝缘层，该绝缘层可防止半导体材料层的氧化，又可将半导体材料层与后续制备的永磁层进行电隔离；
步骤6：在绝缘层之上通过原位生长或通过层转移技术制备一具有垂直磁各向异性的永磁层；
步骤7：在永磁层上表面沉积一保护层，防止永磁层氧化；
步骤8：利用垂直磁场将永磁层磁化至饱和，退去磁场。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.永磁偏置层的制备工序简单，成本低廉，可很好地与EMR传感器的工艺兼容。
2.所采用的永磁层具有垂直各向异性，沿垂直膜面方向测得的矫顽场通常很大，一般为数千Oe甚至数万Oe。由于EMR传感器的应用领域为超高密度磁存储介质的信息读取，每个磁位元的信号上限仅为几百Oe，这样的弱磁信号不可能使得永磁层的磁化方向发生偏转，因此偏置磁场调控的EMR传感器具有很高的工作稳定性和可靠性。
3.偏置磁场大小可根据实际需要，通过永磁层厚度来进行灵活调控，方法简单便捷。通过调节偏置磁场大小，除了能提高器件的低场响应，还可将低场R-M曲线移至线性区，有助于发展新型的逻辑器件。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明的器件结构示意图；
图2是模拟出的未施加偏置磁场与施加0.75T偏置磁场后半导体-金属复合结构磁场传感器磁阻曲线的对比图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明提供一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，包括：
一绝缘衬底10，绝缘衬底10的材料为半绝缘GaAs、SiO2/Si、Si3N4/Si、玻璃、氧化物陶瓷，厚度不超过3mm。
一半导体材料层20，为条状结构，制作在绝缘衬底10上，该半导体材料层20的材料为InSb、InAs、InAsSb合金、二维电子气材料或石墨烯。半导体材料层20的厚度小于5μm，迁移率大于1000cm2/V·s。条状结构长宽比介于5∶1到200∶1之间。
两条金属电流引线30，制作在绝缘衬底10上，其一端与半导体材料层20的一侧连接。金属电流引线30通常为Au、Cu、Ag等高电导率金属及其合金，金属电流引线30与半导体材料层20之间为欧姆接触。为降低金属电流引线30与半导体材料层20之间的接触电阻，可进行快速退火处理，退火温度为100-600℃，退火时间小于1小时。
两条金属电压引线40，制作在绝缘衬底10上，其一端与半导体材料层20的一侧连接，并位于两条金属电流引线30之间。金属电压引线40通常为Au、Cu、Ag等高电导率金属及其合金，金属电压引线40与半导体材料层20之间为欧姆接触。为降低金属电压引线40与半导体材料层20之间的接触电阻，可进行快速退火处理，退火温度为100-600℃，退火时间小于1小时。
一金属分流器50，制作在绝缘衬底10上，位于半导体材料层20的一侧并与之连接。金属分流器50通常为Au、Cu、Ag等高电导率金属及其合金，金属分流器50与半导体材料层20之间为欧姆接触。为降低金属分流器50与半导体材料层20之间的接触电阻，可进行快速退火处理，退火温度为100-600℃，退火时间小于1小时。
一绝缘层60，制作在半导体材料层20上。绝缘层60的材料可选为SiO2、Si3N4、Al2O3或MgO，厚度小于1μm。绝缘层60可通过PECVD或磁控溅射进行生长，生长温度为20℃-600℃，生长速率介于1μm/分钟到1μm/小时之间。
一永磁层70，制作在绝缘保护层60上，该永磁层70具有垂直磁各向异性，该永磁层70的材料为SmCo5、Co与贵金属组成的多层膜、Co与贵金属组成的合金、Fe与贵金属组成的多层膜或Fe与贵金属组成的合金，厚度为10nm-10μm。永磁层70通过磁控溅射生长，生长温度20℃-800℃，生长速率介于1μm/分钟到1μm/小时之间。
一保护层80，制作在永磁层70上。保护层80的材料可选为SiO2、Si3N4、Al2O3或MgO，厚度小于1μm。保护层80可通过PECVD或磁控溅射进行生长，生长温度为20℃-600℃，生长速率介于1μm/分钟到1μm/小时之间。
请再参阅图1所示，本发明还提供一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一绝缘衬底10，并将之清洗干净。清洗剂依次为四氯化碳、丙酮、无水乙醇和去离子水，清洗过程在超声清洗机内进行，每种清洗剂清洗时间为5-15分钟。
步骤2：在绝缘衬底10上生长或通过层转移技术制备一层具有高载流子迁移率的半导体材料层20，该半导体材料层20的材料为InSb、InAs、InAsSb合金、二维电子气材料或石墨烯。半导体材料层20的制备手段为MBE、MOCVD或CVD。
步骤3：在半导体材料层20的表面覆盖光刻胶，刻蚀，使剩余的半导体材料20形成台面结构。条状结构长宽比介于5∶1到200∶1之间。
步骤4：通过电子束沉积技术，在半导体材料层20形成的台面结构的两侧制作出两条金属电流引线30、两条金属电压引线40及一金属分流器50。金属电流引线30、金属电压引线40及金属分流器50通常为Au、Cu、Ag等高电导率金属及其合金。金属电流引线30、金属电压引线40及金属分流器50与半导体材料层20间为欧姆接触。金属电流引线30、金属电压引线40及金属分流器50在制作完成后进行退火处理。
步骤5：在半导体材料层20的表面沉积绝缘层60，该绝缘层60可防止半导体材料层20的氧化，又可将半导体材料层20与后续制备的永磁层70进行电隔离。绝缘层通过PECVD或磁控溅射进行生长，生长温度小于600℃。
步骤6：在绝缘层60之上通过原位生长或通过层转移技术制备一具有垂直磁各向异性的永磁层70，该永磁层70的材料为SmCo5、Co与贵金属组成的多层膜、Co与贵金属组成的合金、Fe与贵金属组成的多层膜或Fe与贵金属组成的合金，厚度为10nm-10μm。永磁层70通过磁控溅射生长，生长温度不超过800℃，
步骤7：在永磁层70上表面沉积一保护层80，防止永磁层70氧化。保护层通过PECVD或磁控溅射进行生长，生长温度小于600℃。
步骤8：利用垂直磁场将永磁层70磁化至饱和，退去磁场。垂直磁场强度为0.5-10特斯拉。
实例
图2所示为通过SmCo5永磁层来增强InSb-Au复合结构EMR传感器性能的具体结果。器件具体结构参考图1，是在InSb-Au复合结构的顶端放置一层具有垂直磁各向异性的SmCo5，利用3特斯拉垂直磁场(垂直于SmCo5膜面)将SmCo5磁化至饱和，然后去掉磁场。去掉磁场后SmCo5沿垂直膜面方向的饱和磁矩仍然存在，这样就可以对InSb-Au复合结构提供一个偏置磁场。
未放置SmCo5永磁层的器件在低场时磁阻很小。从图2中可以看到，在0.3特斯拉磁场之下，磁阻值非常小；当磁场大于0.3特斯拉，磁阻变得比较明显；磁场大于0.5特斯拉时，磁阻值近似线性急剧增加；在磁场大于1.2特斯拉时，磁阻增长速度变缓，并逐渐趋于饱和。
在对InSb-Au复合结构EMR传感施加0.75特斯拉磁场时，磁阻曲线与未施加偏置磁场时产生了明显变化。从图2可看出，其磁阻曲线相当于未施加偏置磁场时的磁阻曲线向左偏移了0.75特斯拉。因此，在低场时器件的磁阻值非常大，且与磁场呈近似线性的关系。因此，覆盖有SmCo5永磁层的InSb-Au复合结构EMR传感器具有优异的低场传感特性，非常适合应用于超高密度磁存储信息的读取。而且，在低场下其磁阻随磁场近乎线性增加的关系对于其在信号处理领域的应用也奠定了坚实的基础。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，包括：
一绝缘衬底；
一半导体材料层，为条状结构，制作在绝缘衬底上；
两条金属电流引线，制作在绝缘衬底上，其一端与半导体材料层的一侧连接；
两条金属电压引线，制作在绝缘衬底上，其一端与半导体材料层的一侧连接，并位于两条金属电流引线之间；
一金属分流器，制作在绝缘衬底上，位于半导体材料层的一侧并与之连接；
一绝缘层，制作在半导体材料层上；
一永磁层，制作在绝缘保护层上，该永磁层具有垂直磁各向异性；
一保护层，制作在永磁层上。
2.根据权利要求1所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，其中半导体材料层为InSb、InAs、InAsSb合金、二维电子气材料或石墨烯。
3.根据权利要求1所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，其中永磁层的材料为SmCo5、Co与贵金属组成的多层膜、Co与贵金属组成的合金、Fe与贵金属组成的多层膜或Fe与贵金属组成的合金。
4.根据权利要求3所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，其中永磁层的厚度为10nm-10μm。
5.根据权利要求3所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器，其中金属电流引线、金属电压引线和金属分流器与半导体材料层的接触为欧姆接触。
6.一种增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一绝缘衬底，并将之清洗干净；
步骤2：在绝缘衬底上生长或通过层转移技术制备一层具有高载流子迁移率的半导体材料层；
步骤3：在半导体材料层的表面覆盖光刻胶，刻蚀，使剩余的半导体材料形成台面结构；
步骤4：在半导体材料形成的台面结构两侧制作出两条金属电流引线、两条金属电压引线及一金属分流器；
步骤5：在半导体材料层的表面沉积绝缘层，该绝缘层可防止半导体材料层的氧化，又可将半导体材料层与后续制备的永磁层进行电隔离；
步骤6：在绝缘层之上通过原位生长或通过层转移技术制备一具有垂直磁各向异性的永磁层；
步骤7：在永磁层上表面沉积一保护层，防止永磁层氧化；
步骤8：利用垂直磁场将永磁层磁化至饱和，退去磁场。
7.根据权利要求6所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，其中半导体材料层为InSb、InAs、InAsSb合金、二维电子气材料或石墨烯。
8.根据权利要求6所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，其中永磁层的材料为SmCo5、Co与贵金属组成的多层膜、Co与贵金属组成的合金、Fe与贵金属组成的多层膜或Fe与贵金属组成的合金。
9.根据权利要求8所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，其中永磁层的厚度为10nm-10μm。
10.根据权利要求6所述的增强型半导体-金属复合结构磁场传感器的制备方法，其中金属电流引线、金属电压引线和金属分流器与半导体材料层的接触为欧姆接触。
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