CN102709468A - 一种砷化镓基几何巨磁电阻器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁场检测和磁场传感器材料以及器件技术领域，特别涉及一种砷化镓基几何巨磁电阻器件及其制备方法。该砷化镓基几何巨磁电阻器件在矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片表面的4个角上分别设有1个金属电极，4个金属电极呈矩形或梯形。其制备方法为：将GaAs 基片用酒精或丙酮漂洗干净后裁剪成矩形，将高纯软金属分别沉积或压制成金属电极于矩形单晶GaAs基片的4个角上，即可得到砷化镓基几何巨磁阻器件。所得到的砷化镓基几何巨磁阻器件具有显著的磁电阻效应，其磁电阻大于常规GaAs基磁电阻器件的磁电阻。所得到的砷化镓基几何巨磁阻器件的结构简单，原材料价格适中，制备工艺简单，且环境友好。
Description
技术领域
本发明属于磁场检测和磁场传感器材料以及器件技术领域，特别涉及一种砷化镓基几何巨磁电阻器件及其制备方法。
背景技术
自1988年A.Fert和Peter Grünberg (Phys. Rev. Lett. 61(1988) 2472)发现Fe/Cr多层膜中的巨磁阻效应（GMR）以来，该效应的应用给人们的生活带来了巨大革新。GMR和与之类似的隧道磁电阻效应（TMR）广泛地应用于计算机存储技术，高灵敏度磁性传感器和空间技术等领域。然而，它们主要原材料为磁性金属材料和稀土材料等。随着稀土资源的不断紧张，寻找新型材料成为了一种趋势。随着自旋电子学的发展，人们发现在非磁性材料体系（如Si，GaAs）中也存在磁阻效应。GaAs材料是信息、光电子和光学工业中的主流材料，但有关其磁学器件性能的研究很少。
2007年，Wang等人（Appl. Phys. Lett, 90 (2007) 252106）发现了GaAs/AlGaAs二维电子气在低温20 K和6 T高磁场条件下，显示了1300%的磁电阻现象，然而低温和高磁场条件限制了该器件的应用。Michel等人（Appl. Phys. Lett, 92 (2008) 223119）则通过控制GaAs中Mn的掺杂位置与浓度来调控GaAs的磁电阻性能，也实现了低温和高场下显著的磁电阻效应。另外，Yokoyama等人（J. Appl. Phys, 99, (2006) 08D502）在室温下，于Mn掺杂的GaAs体系中，实现了600%的磁电阻，然而工作电压却为110V。以上这些器件要么不能在室温附近工作，要么工作电压太大，因此离工业应用尚有距离。
除了砷化镓基巨磁阻电阻材料，其他体系也可实现磁阻特性，如Solin等人（Science，289 (2000) 1530）发明的InSb/Au结构磁阻。这种结构虽然性能优异，但是结构较复杂，不利于器件的小型化，而且制备工艺复杂，原料成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种砷化镓基几何巨磁电阻器件及其制备方法。
如图1所示，一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：在矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片表面的4个角上分别设置1个金属电极；4个金属电极呈矩形或梯形，其中，在长度方向上的两个金属电极之间的间距用LC表示，在宽度方向上的两个金属电极之间的间距用WC 表示，两间距的比值大于0.5，即LC/WC >0.5。
所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的任一边长度为0.5 mm~20 mm。
所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的电阻率大于1000 Ω·cm。
所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的迁移率大于1000 cm2/Vs。
所述金属电极为金属In、Al或Ti。
一种砷化镓基几何巨磁阻器件的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
（1）将矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成矩形；
（2）在矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的表面4个角上分别沉积或压制1个金属电极。
所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的任一边长度为0.5 mm~20 mm。
所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的电阻率大于1000 Ω·cm。
所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的迁移率大于1000 cm2/Vs。
所述金属电极为金属In、Al或Ti。
本发明的有益效果为：
1. 所得到的砷化镓基几何巨磁阻器件在温度300 K, 磁场1.2 T，测试电流为22 nA条件下，具有显著的磁电阻效应。
2. 所得到的砷化镓基几何巨磁阻器件，其磁电阻大于常规GaAs基磁电阻器件的磁电阻（根据理论推算，磁阻等于(μB)2，约为30%）。
3. 所得到的砷化镓基几何巨磁阻器件工作在20 V和20 nA左右条件下，功率在0.4 μW级别，小于1 μW级别。
4. 所得到的砷化镓基几何巨磁阻器件的结构简单，原材料价格适中，制备工艺简单，且环境友好。
附图说明
图1a和图1b分别为砷化镓基几何巨磁阻器的磁电阻性能测试示意图和砷化镓基几何巨磁阻器的侧视示意图。
图2为实施例1的砷化镓基几何巨磁阻器件电流电压曲线与磁场依赖特性曲线。
图3为实施例1的砷化镓基几何巨磁阻器件电阻与时间依赖特性曲线。
图中标号：1-金属电极；2-GaAs基片。
具体实施方式
本发明提供了一种砷化镓基几何巨磁电阻器件及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
将电阻率为107 Ω∙cm的半绝缘GaAs（100）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成长L = 7.0 mm，宽W = 2.3 mm的矩形。用高纯软金属In（纯度>99.9%）压制金属电极于矩形GaAs基片的4个角上。金属电极的尺寸为沿GaAs基片长度方向1.0 mm，沿GaAs基片宽度方向0.9 mm。因此LC = 5.0 mm，WC = 0.5 mm。至此一个砷化镓基几何巨磁阻器件就制备完成了。
在用四电极法测量器件磁阻性能时，连接其中宽度方向上两个相邻金属电极的电流源提供电流，连接宽度方向上另外两个相邻金属电极的电压表测试电压。在长度方向上一对相邻金属电极之间连接一个二极管，所使用的二极管为硅基、锗基或砷化镓基类二极管，并沿垂直于器件表面的方向施加磁场，其中垂直于器件表面向上的方向为磁场正方向。电流源提供电流超过100 ms后，即电压表读数稳定后，开始采集电压数据。
所制备的砷化镓基几何巨磁阻器件，使用了反向击穿电压为10 V的稳压二极管后，电流电压性能用四电极法由高精度源表Keithley6430作为电流源、高阻表Keithley6517作为电压表测量；磁场由1.2 T永磁铁和0.4 T连续变化的电磁铁提供，磁阻性能在磁场中用Keithley6430和Keithley6517测量。
如图2所示，在同样的测试电流下，在1.2 T磁场条件下所测得的电压值要显著大于0 T磁场条件下下的电压值。而且磁场对电流电压曲线的改变在电流大于10 nA的情况下特别明显。如图3所示，在电流为22 nA时，1.2 T磁场条件下，其磁电阻可达到3000%，这个大小的磁电阻已经比常规砷化镓基磁电阻器件的磁电阻大2个数量级。常规GaAs基磁电阻器件的磁电阻，在1 T条件下，为30%左右。所得砷化镓基磁电阻器件在610mT时，最佳磁电阻可达43.6%。
实施例2
将电阻率为107 Ω∙cm的半绝缘GaAs（100）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成长L = 4.3 mm，宽W = 2.3 mm的矩形。用高纯软金属In（纯度>99.9%）压制电极于矩形GaAs基片的4个角上。电极的尺寸为沿GaAs基片长度方向1.15 mm，沿GaAs基片宽度方向0.9mm。因此LC = 2.0 mm，WC = 0.5 mm。至此一个砷化镓基几何巨磁阻器件就制备完成了。
所制备的砷化镓基几何巨磁阻器，其测试方法、条件及器材与实施例1相同。
在电流为24 nA时，在1.2 T磁场条件下，其磁电阻可达到700%。
实施例3
将电阻率为107 Ω∙cm的半绝缘GaAs（100）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成长L = 4.3 mm，宽W = 2.3 mm的矩形。用高纯软金属In（纯度>99.9%）压制电极于矩形GaAs基片的4个角上。电极的尺寸为沿GaAs基片长度方向1.15 mm，沿GaAs基片宽度方向0.9mm。因此LC = 2.0 mm，WC = 0.5 mm。至此一个砷化镓基几何巨磁阻器件就制备完成了。
所制备的砷化镓基几何巨磁阻器，使用了反向击穿电压为15V的稳压二极管，其测试方法、条件及器材与实施例1相同。
在电流为24 nA时，在1.2 T磁场条件下，其磁电阻可达到1000%。
实施例4
将电阻率为107 Ω∙cm的半绝缘GaAs（100）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成长L = 9.0 mm，宽W = 3.2 mm的矩形。用激光脉冲沉积法（PLD）轰击高纯金属Ti靶（纯度>99.99%），沉积电极于矩形GaAs基片的4个角上。电极的尺寸为沿GaAs基片长度方向2.0mm，沿GaAs基片宽度方向1.5 mm。因此LC = 5.0 mm，WC =0.2 mm。至此一个砷化镓基几何巨磁阻器件就制备完成了。
所制备的砷化镓基几何巨磁阻器，其测试方法、条件及器材与实施例1相同。
在电流为128 nA时，在1.2 T磁场条件下，其磁电阻可达到3800%。
实施例5
将电阻率为107 Ω∙cm的半绝缘GaAs（100）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成长L = 9.0 mm，宽W = 3.2 mm的矩形。用激光脉冲沉积法（PLD）轰击高纯金属Al靶（纯度>99.99%），沉积电极于矩形GaAs基片的4个角上。电极的尺寸为沿GaAs基片长度方向2.0mm，沿GaAs基片宽度方向1.5 mm。因此LC = 5.0 mm，WC =0.2 mm。至此一个砷化镓基几何巨磁阻器件就制备完成了。
所制备的砷化镓基几何巨磁阻器，其测试方法、条件及器材与实施例1相同。
在电流为84 nA时，在1.2 T磁场条件下，其磁电阻可达到2100%。
Claims (10)
1.一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：在矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片表面的4个角上分别设置1个金属电极；4个金属电极呈矩形或梯形，其中，在长度方向上的两个金属电极之间的间距用LC表示，在宽度方向上的两个金属电极之间的间距用WC 表示，两间距的比值大于0.5，即LC/WC >0.5。
2.根据权利要求1所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的任一边长度为0.5 mm~20 mm。
3.根据权利要求1所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的电阻率大于1000 Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的迁移率大于1000 cm2/Vs。
5.根据权利要求1所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述金属电极为金属In、Al或Ti。
6.如权利要求1所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件的制备方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
（1）将矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片用酒精或丙酮漂洗干净，并将其裁剪成矩形；
（2）在矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的表面4个角上分别沉积或压制1个金属电极。
7.根据权利要求1所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的任一边长度为0.5 mm~20mm。
8.根据权利要求5所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的电阻率大于1000 Ω·cm。
9.根据权利要求5所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述矩形单晶GaAs（100）或矩形单晶GaAs（111）基片的迁移率大于1000 cm2/Vs。
10.根据权利要求5所述的一种砷化镓基几何巨磁阻器件，其特征在于：所述金属电极为金属In、Al或Ti。
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