CN104851974B - 一种具有整流磁电阻效应的磁传感器及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

一种具有整流磁电阻效应的磁传感器,包括在半导体上形成的可磁场调控的肖特基势垒，以使所述磁传感器具有整流磁电阻效应，既具有整流效应，又具有磁电阻效应。当一个交变的电流通过该磁传感器时，在该磁传感器两端产生一个整流电压。并且该磁传感器的整流特性会随着外部磁场的变化而发生变化，所以整流电压会随着外磁场发生相应变化，通过检测整流电压的变化即可反推得到外部磁场的变化。该磁传感器可应用于磁存储数据的读取，或者测量外磁场。通过本发明的磁传感器能够获得比直流测量更大的磁电阻比值，能够提高磁传感器的信噪比，增加测量精度，提高磁存储器件的容错能力。并且该器件工作电压很低，具有低功耗的优势。

Description

一种具有整流磁电阻效应的磁传感器及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种具有整流磁电阻效应的磁传感器及其制备方法与应用，属于磁检测的技术领域。

背景技术

电阻率随着磁场变化而变化的现象称之为磁电阻，通常定义为一个无量纲的比值其中R(H)为外磁场H下的电阻，R(0)为没有外磁场下的电阻。磁电阻现象的发现极大的促进了磁存储和磁传感器的发展。1857年，Thomson在铁磁金属中发现了各向异性磁电阻现象，揭开了磁电阻效应的研究篇章。1988年，Fert和Grünberg分别独立在铁\铬\铁多层膜中发现了巨磁电阻效应，并因此共享了2007年诺贝尔物理学奖。由于具有比各向异性磁电阻高的磁电阻比值，基于巨磁电阻效应的磁传感器、磁头等发展迅速，已经广泛的应用于生产和生活中。随后，在Al₂O₃和MgO作为势垒层的铁磁\绝缘体\铁磁三明治结构中发现了巨大的隧穿磁电阻效应。由于其磁电阻比值更高，功耗更低，更易集成的优点，隧穿磁电阻效应引起了广泛的研究热潮。

在Si、Ge、InSb、GaAs等非磁材料中发现了奇异磁电阻效应。该类材料的磁电阻比值更大，据报道可以在室温、3T磁场下达到1000％的磁电阻(Nature457(2009),1112)。且电阻率随着磁场增加呈现近似线性增加，没有饱和现象。该类磁电阻器件不存在磁性部分，不存在磁性器件难以克服的纳米尺寸范围内的超顺磁转变，更利于器件的小型化，以及高密度集成。再者，硅和锗的储量丰富，价格低廉，基于硅和锗的磁电阻更易和现如今的半导体集成工艺结合和大规模生产。然而该类磁电阻需要的电压较高，一般需要几百伏，最小的电压报道为几伏，功耗都在mW量级以上，如此高的功耗不利于实际应用。

目前磁传感器的应用操作是，将磁传感器放置于磁场中，在传感器两端加上一个直流电流，同时检测传感器两端的电压降。外部磁场通过磁电阻效应调节器件的电阻率，从而器件两端的电压降发生相应变化，故器件的电压降代表了磁场的变化。目前已经发现的磁电阻效应包括各向异性磁电阻、巨磁电阻效应、隧穿磁电阻效应、庞磁阻效应、奇异磁电阻效应等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有整流磁电阻效应的磁传感器。本发明所述的磁传感器具有更高的信噪比和测量精度。本发明的原理是：利用锗基、硅基半导体上形成的磁场可调控的肖特基势垒，测量整流电压随磁场变化，和直流磁电阻相比，其具有更大的磁电阻比值，以及更小的功耗。

本发明还提供一种上述磁传感器的制备方法。

本发明还提供一种上述磁传感器的应用方法。

术语说明：

1、整流效应：导电性能会随着电流极性发生变化，例如，通入正向电流器件处于导通状态，通入反向电流，器件处于关断状态。

2、肖特基势垒：具有整流特性的金属和半导体接触。

3、整流磁电阻效应：输入一个纯的正弦交流电流，测量整流后的直流电压，整流电压随着磁场变化的现象就是整流磁电阻。

4、各向异性磁电阻：指铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角改变而变化的现象。

5、巨磁电阻效应：在铁磁金属\正常金属\铁磁金属多层膜中由于自旋相关散射效应导致的磁电阻现象。

6、隧穿磁电阻效应：在铁磁\绝缘体\铁磁异质结中由于自旋相关隧穿效应导致的磁电阻现象。

7、所述本征锗或本征硅是指：导电靠本征激发的本征载流子起主导作用的高纯锗或高纯度硅。

本发明的技术方案如下：

一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，包括在半导体上形成的可磁场调控的肖特基势垒，以使所述磁传感器具有整流磁电阻效应。本发明所述的磁传感器包括肖特基势垒，既具有整流效应，又具有磁电阻效应。当一个交变的电流通过该磁传感器时，在该磁传感器两端产生一个整流电压。并且该磁传感器的整流特性会随着外部磁场的变化而发生变化，所以整流电压会随着外磁场发生相应变化，通过检测整流电压的变化即可反推得到外部磁场的变化。该磁传感器可应用于磁存储数据的读取，或者测量外磁场。通过本发明的磁传感器能够获得比直流测量更大的磁电阻比值，能够增大磁传感器的信噪比，提高测量精度和磁存储器件的容错能力。并且该器件工作电压很低，具有低功耗的优势。

根据本发明优选的，所述磁场可调控的肖特基势垒的数量为一个或多个；所述磁场可调控的肖特基势垒包括相接触的金属电极和半导体。

根据本发明优选的，所述半导体的电阻率大于1Ω·cm。

根据本发明优选的，所述半导体为锗基半导体、硅基半导体或砷化镓半导体；所述锗基半导体包括n型锗、p型锗或本征锗；所述硅基半导体包括n型硅、p型硅或本征硅。

根据本发明优选的，所述金属电极为In、Al、Au、Cu、Ta或Ni。

一种上述磁传感器的制备方法，包括步骤如下：

(1)以所述半导体为衬底；

(2)在所述半导体上压制或沉积两个金属电极；上述沉积过程可用金属掩模、光刻或者电子束曝光等方法控制金属电极形状和尺寸；

(3)将所述两个金属电极分别进行退火处理，通过调整退火的时间和温度，使在所述半导体上分别形成不对称的肖特基接触，或肖特基接触和欧姆接触。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，将上述半导体裁切成长宽尺寸为5mm×2mm的长条形结构。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，所述金属电极的尺寸为2mm×1mm。

根据本发明优选的，在进行所述步骤(2)之前，在所述半导体表面制备形成该半导体的氧化物层。

根据本发明优选的，所述氧化物层的厚度为2nm。

根据本发明优选的，所述磁传感器的制备方法，其中，所述磁传感器为长条状本征锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55.6-59.4Ω·cm，当所述磁场可调控的肖特基势垒为两个不对称的肖特基势垒时，包括步骤如下：

(1)将本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤，温度设定100℃，时间为两个小时；将本征锗裁剪成5mm×2mm的长条状；由于暴露在空气中，在本征锗的表面会形成一层厚度为2nm的氧化物；

(2)在本征锗上压制In电极，In电极的尺寸为2mm×1mm；

(3)利用电烙铁将所述In电极融化，两端In电极分别融化的时间不同：左边In电极与烙铁接触时间为30s，右边In电极的接触时间为10s，使在所述本征锗上分别形成两个不对称的肖特基势垒。

一种上述磁传感器的制备方法，其中所述磁传感器为圆环状本征锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55.6-59.4Ω·cm，当所述磁场可调控的肖特基势垒的数量为一个时，包括步骤如下：

(1)将的本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤，温度设定100℃，时间为两个小时；由于暴露在空气中，本征锗的表面会形成一层厚度为2nm的氧化物；

(2)在所述本征锗上滴光刻胶，并将光刻胶甩匀，烘干；用漏光部分为宽度为50um，内径为175um的圆环状光刻板置于本征锗前端，然后曝光；光刻胶曝光之后放入显影液中17s，然后放入酒精中将已经曝光的光刻胶清洗掉；用电子束曝光技术生厚200nm的Al电极，用丙酮将光刻胶全部剥离、洗净；

(3)在氮气气氛中550℃退火三分钟，形成圆环状欧姆接触；

(4)重复步骤(2)，改用漏光部分为直径50um圆形的光刻板，圆形的光刻板和圆环状光刻板对齐，曝光部位在圆环状光刻板的中心位置；依次利用电子束蒸发生长100nm的Ni电极以及100nm的Al电极，形成肖特基接触，即形成磁场可调控的肖特基势垒。

一种上述磁传感器的应用方法，当在所述磁传感器的两端输入一个纯的正弦交流电流，获得整流后的直流电压，且整流电压随着磁场变化；通过检测整流电压的变化即得到外部磁场的变化。

一种上述磁传感器的应用方法，所述磁传感器应用于磁存储数据的读取，或者测量外部磁场。本发明通过本发明的磁传感器能够获得比直流测量更大的磁电阻比值，能够提高磁传感器的信噪比，增加测量精度，提高磁存储器件的容错能力。并且该器件工作电压很低，具有低功耗的优势。

本发明所应用的原理：

当纯正弦交变电流信号通过纯电阻时，会得到一个交变的电压信号，但是该交变的电压信号是对称的，故用直流电压表检测不到直流信号。当一纯正弦交变电流信号通过肖特基整流二极管时，会得到一个不对称的交流电压信号，这样就可以通过直流电压表检测出这种不对称信号，从而得到一个直流电压。本发明的整流效应会随着磁场发生变化，因此直流电压表检测到的电压信号也会随之发生变化，此为整流磁电阻效应的基本机理。

本发明的测量过程中Keithley 6221施加一个交变的电流到器件两端，选择幅值在1mA以下，频率固定为1kHz。然后用Keithley 2182检测该器件两端的直流电压变化。器件的整流特性会随着外加磁场的变化而发生变化，因此整流电压会随着磁场变化而变化，即，检测到的直流电压的变化代表了磁场的变化。

在300K温度下，当加10uA的直流电流到磁传感器两端，然后测得的磁电阻比例为80％。当加一个正弦交变的电流到磁传感器两端(幅值10uA，频率1kHz)，得到了200％的磁电阻比值。这对于增加磁传感器的信噪比是极其有益的。

本发明的优势在于：

本发明所述的磁传感器中包含的肖特基势垒，既具有整流效应，又具有磁电阻效应。当一个交变的电流通过该磁传感器时，在该磁传感器两端产生一个整流电压。并且该磁传感器的整流特性会随着外部磁场的变化而发生变化，所以整流电压会随着外磁场发生相应变化，通过检测整流电压的变化即可反推得到外部磁场的变化。该磁传感器可应用于磁存储数据的读取，或者测量外磁场。通过本发明的磁传感器能够获得比直流测量更大的磁电阻比值，能够提高磁传感器的信噪比，增加测量精度，提高磁存储器件的容错能力。并且该器件工作电压很低，具有低功耗的优势：根据报道，通过增大测量电流，直流测量也可以得到大的磁电阻，通常工作电压在几十伏至几百伏的电压，让器件工作在离子自发碰撞区域或者空间电荷区。然而这种方式功耗太高，且长时间工作在高电压范围，会影响器件的寿命。根据公式：交流电平均功率交流电流的有效值为幅值的倍，因此基于整流磁电阻效应传感器的功率是直流磁电阻效应的一半，具有低功耗的优势。并且，器件是工作在一个周期变化的电压内，不会长时间处于高电压状态，使用寿命更长。

再者，本发明依赖于硅基或锗基半导体，能够与当今的半导体工艺兼容，适合大规模生产。

附图说明

图1为本发明磁传感器及其磁电阻性能的测试器件连接示意图，其中电压表的型号为Keithley 2182，电流表的型号为Keithley 6221；

图2为300K温度下，本发明磁传感器在不同磁场的I-V特性曲线；

图3为300K温度下，本发明磁传感器直流磁电阻曲线和整流磁电阻曲线，其中左边纵坐标为直流电压值，右边纵坐标为整流电压值。

具体实施方式：

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不仅限于此。

如图1-3所示。

实施例1、

一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，包括在半导体上形成的可磁场调控的肖特基势垒，以使所述磁传感器具有整流磁电阻效应。

所述磁场可调控的肖特基势垒的数量为一个或多个；所述磁场可调控的肖特基势垒包括相接触的金属电极和半导体。

所述半导体的电阻率大于1Ω·cm。

所述半导体为锗基半导体、硅基半导体或砷化镓半导体；所述锗基半导体包括n型锗、p型锗或本征锗；所述硅基半导体包括n型硅、p型硅或本征硅。

所述金属电极为In、Al、Au、Cu、Ta或Ni。

实施例2、

一种如实施例1所述磁传感器的制备方法，包括步骤如下：

(1)以所述半导体为衬底；

(2)在所述半导体上压制或沉积两个金属电极；

(3)将所述两个金属电极分别进行退火处理，通过调整退火的时间和温度，使在所述半导体上分别形成不对称的肖特基接触，或肖特基接触和欧姆接触。

实施例3、

如实施例2所述的磁传感器的制备方法，其区别在于，所述步骤(1)中，将上述半导体裁切成长宽尺寸为5mm×2mm的长条形结构。所述步骤(2)中，所述金属电极的尺寸为2mm×1mm。

实施例4、

如实施例2、3所述的磁传感器的制备方法，其区别在于，在进行所述步骤(2)之前，在所述半导体表面制备形成该半导体的氧化物层。所述氧化物层的厚度为2nm。

实施例5、

如图1所示。

如实施例2所述的磁传感器的制备方法，其区别在于，所述磁传感器的制备方法，其中，所述磁传感器为长条状本征锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55.6-59.4Ω·cm，当所述磁场可调控的肖特基势垒为两个不对称的肖特基势垒时，包括步骤如下：

(1)将本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤，温度设定100℃，时间为两个小时；将本征锗裁剪成5mm×2mm的长条状；

(2)在本征锗上压制In电极，In电极的尺寸为2mm×1mm；

(3)利用电烙铁将所述In电极融化，两端In电极分别融化的时间不同：左边In电极与烙铁接触时间为30s，右边In电极的接触时间为10s，使在所述本征锗上分别形成两个不对称的肖特基势垒。

本实施例所述的磁传感器，即整流磁电阻的I-V特性曲线和直流磁电阻用Keithley 2400作为电流源，Keithley 2182测量电压。整流磁电阻的测量是由Keithley6221输出交流电流，该交流电流的幅值、频率可调，同时用Keithley 2182检测整流电压变化，如图1所示。变化磁场以及温度控制由超导量子干涉仪实现(SQUID)。

图2为本实例在300k温度下得到I-V特性曲线。I-V曲线表现出非线性、非对称的特性，也就是整流特性。通过6T和0T的I-V特性曲线的对比，发现磁场可以调节I-V曲线的非线性、非对称特性，表明具有磁电阻特性。

图3为本实例在300K温度下直流测量得到的磁电阻以及整流磁电阻效应。用Keithley 2400加10uA的电流测量直流磁电阻，得到了80％的磁电阻比值。用Keithley6221加一个幅值为10uA、频率为1kHZ的交流电流，我们测得200％的整流磁电阻比值，是直流磁电阻的两倍多。

实施例6、

如实施例2所述的磁传感器的制备方法，其区别在于，其中所述磁传感器为圆环状本征锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55.6-59.4Ω·cm，当所述磁场可调控的肖特基势垒的数量为一个时，包括步骤如下：

(1)将的本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤，温度设定100℃，时间为两个小时；

(2)在所述本征锗上滴光刻胶，并将光刻胶甩匀，烘干；用漏光部分为宽度为50um，内径为175um的圆环状光刻板置于本征锗前端，然后曝光；光刻胶曝光之后放入显影液中17s，然后放入酒精中将已经曝光的光刻胶清洗掉；用电子束曝光技术生厚200nm的Al电极，用丙酮将光刻胶全部剥离、洗净；

(3)在氮气气氛中550℃退火三分钟，形成圆环状欧姆接触；

(4)重复步骤(2)，改用漏光部分为直径50um圆形的光刻板，圆形的光刻板和圆环状光刻板对齐，曝光部位在圆环状光刻板的中心位置；依次利用电子束蒸发生长100nm的Ni电极以及100nm的Al电极，形成肖特基接触，即形成磁场可调控的肖特基势垒。

实施例7、

一种如实施例1-6所述磁传感器的应用方法，当在所述磁传感器的两端输入一个纯的正弦交流电流，获得整流后的直流电压，且整流电压随着磁场变化，通过检测整流电压的变化即得到外部磁场的变化。

实施例8、

一种如实施例1-6所述磁传感器的应用方法，所述磁传感器应用于磁存储数据的读取，或者测量外部磁场。

总之，在室温下，基于整流磁电阻效应设计的磁传感器的工作电流在1mA以下，功耗不到1uW，具有低功耗优势，磁电阻达到了200％。器件的制备工艺简单。基于硅和锗的半导体器件能够和传统CMOS工艺相结合，更加适合器件的微型化。因此，我们的专利在磁传感器领域以及读出磁头方面有广泛的应用前景。

以上所述仅为实现本专利的一种方法，所有基于整流磁电阻效应设计的磁传感器都应涵盖在本发明的保护范围内。本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括在半导体上形成的磁场可调控的肖特基势垒，以使所述磁传感器具有整流磁电阻效应。

2.根据权利要求1所述一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，其特征在于，所述磁场可调控的肖特基势垒的数量为一个或多个；所述磁场可调控的肖特基势垒包括相接触的金属电极和半导体。

3.根据权利要求1所述一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，其特征在于，所述半导体的电阻率大于1Ω·cm。

4.根据权利要求2所述一种具有整流磁电阻效应的磁传感器，其特征在于，所述半导体为锗基半导体、硅基半导体或砷化镓半导体；所述锗基半导体包括n型锗、p型锗或本征锗；所述硅基半导体包括n型硅、p型硅或本征硅；所述金属电极为In、Al、Au、Cu、Ta或Ni。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述磁传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

(1)以所述半导体为衬底；

(2)在所述半导体上压制或沉积两个金属电极；

(3)将所述两个金属电极分别进行退火处理，通过调整退火的时间和温度，使在所述半导体上分别形成不对称的肖特基接触，或肖特基接触和欧姆接触。

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将上述半导体裁切成长宽尺寸为5mm×2mm的长条形结构；所述步骤(2)中，所述金属电极的尺寸为2mm×1mm；在进行所述步骤(2)之前，在所述半导体表面制备形成该半导体的氧化物层。

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述氧化物层的厚度为2nm。

8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，其中，所述磁传感器为长条状本征锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55.6-59.4Ω·cm，当所述磁场可调控的肖特基势垒为两个不对称的肖特基势垒时，包括步骤如下：

(1)将本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤，温度设定100℃，时间为两个小时；将本征锗裁剪成5mm×2mm的长条状；

(2)在本征锗上压制In电极，In电极的尺寸为2mm×1mm；

(3)利用电烙铁将所述In电极融化，两端In电极分别融化的时间不同：左边In电极与烙铁接触时间为30s，右边In电极的接触时间为10s，使在所述本征锗上分别形成两个不对称的肖特基势垒。

9.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，其中所述磁传感器为圆环状本征锗整流磁电阻传感器，所述本征锗的电阻率为55.6-59.4Ω·cm，当所述磁场可调控的肖特基势垒的数量为一个时，包括步骤如下：

(1)将本征锗用去离子水、酒精、丙酮、酒精分别超声10分钟，然后放入烘箱烘烤，温度设定100℃，时间为两个小时；

(2)在所述本征锗上滴光刻胶，并将光刻胶甩匀，烘干；用漏光部分为宽度为50um，内径为175um的圆环状光刻板置于本征锗前端，然后曝光；光刻胶曝光之后放入显影液中17s，然后放入酒精中将已经曝光的光刻胶清洗掉；用电子束曝光技术生厚200nm的Al电极，用丙酮将光刻胶全部剥离、洗净；

(3)在氮气气氛中550℃退火三分钟，形成圆环状欧姆接触；

(4)重复步骤(2)，改用漏光部分为直径50um圆形的光刻板，圆形的光刻板和圆环状光刻板对齐，曝光部位在圆环状光刻板的中心位置；依次利用电子束蒸发生长100nm的Ni电极以及100nm的Al电极，形成肖特基接触，即形成磁场可调控的肖特基势垒。

10.一种如权1-4任意一项所述磁传感器的应用方法，当在所述磁传感器的两端输入一个纯的正弦交流电流，获得整流后的直流电压，且整流电压随着磁场变化；通过检测整流电压的变化即得到外部磁场的变化。

11.一种如权1-4任意一项所述磁传感器的应用方法，所述磁传感器应用于磁存储数据的读取，或者测量外部磁场。