CN105047814B - 一种硅基低磁场巨磁阻磁传感器件及制备与性能测试方法 - Google Patents

一种硅基低磁场巨磁阻磁传感器件及制备与性能测试方法 Download PDF

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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，特别涉及一种基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件及其制备与性能测试方法。该器件用离子注入的方法，在Si单晶基片上形成一定浓度的重掺杂区域，再用沉积金属薄膜的方法引出两个电极而制成。所得到的器件可以产生巨大磁阻，该磁阻源于电流控制的微分负电导导致的电阻变化。这种器件在低磁场能呈现显著的磁电阻效应，具有很高的低磁场灵敏度。该器件还具有价格低廉，制备工艺简单等优点，是一种优异的磁场传感器，在磁盘读出磁头、电子指南针、运动装置监测等领域有潜在应用。

Description

一种硅基低磁场巨磁阻磁传感器件及制备与性能测试方法
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，特别涉及一种基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件及其制备与性能测试方法。
背景技术
效应显著和磁场灵敏度高的磁致电阻(简称磁电阻)效应，作为磁存储和磁传感技术的核心，在磁盘读出磁头、电子指南针、运动部件监测等方面都有广阔的应用前景，因此它一直是工业界孜孜以求的目标。目前商用的磁传感器件主要是基于GMR和TMR效应的磁性金属多层膜材料或者半导体基的Hall元件。相对于后者，前者拥有更好的低磁场灵敏度，但是因为金属材料和主流半导体硅材料不兼容，因此这些灵敏的磁传感器很难集成到硅工艺中；而后者虽然不存在材料相容性问题，但是Hall元件的磁场灵敏度较低，这极大地限制了它的应用范围。考虑到Si材料在当今信息工业中的地位，因此设计具有显著的低场灵敏度的Si基巨磁电阻器件，不仅能集成磁传感功能至传统的电路中，甚至可能推动传统的硅电子学向磁电子学的升级，意义重大。
最近几年内，诸多研究者正尝试着设计这种硅基的磁传感器件。2009年，日本科学家Delmo等人[Nature,457(2009)1112]发明了一种纯Si基的磁电阻器件。他们的器件实现了300K以及磁场3T条件下，103％的磁电阻效应。但是该器件的低场磁场灵敏度依然较低，且器件需要在大的电压(100V量级)和大的功率(0.1W～1W)条件下工作，商业应用价值有限。2011年，万蔡华等人[Nature,477(2011)304]发明了一种基于二极管的磁电阻磁传感器件，可以工作在更低的电压范围内(低于10V左右)，且能在更低功耗(低于1mW级)下实现比较大的磁电阻。但是这种磁传感器需要外接一个二极管，器件小型化困难。
发明内容
本发明的目的是提供基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件及其制备与性能测试方法。具体方案如下：
一种硅基低磁场巨磁阻磁传感器件，包括Si单晶基片、重掺杂区域和外电极；其中Si单晶基片的掺杂浓度小于1016cm-3，电阻率大于0.1Ω·cm；重掺杂区域的掺杂浓度大于1016cm-3。
优选地，Si单晶基片的迁移率对于n型硅，达到0.1m2/Vs；对于p型硅，达到0.04m2/Vs。
优选地，重掺杂区域的掺杂方式为n型掺杂或p型掺杂。
优选地，外电极为金属In、Al、Ga、Au、Ti，或者多晶Si。
一种硅基低磁场巨磁阻磁传感器件的制备方法：将重掺杂区域和两个外电极制作于Si单晶基片的表面。
优选地，先在Si单晶基片的表面形成重掺杂区域，再在重掺杂区域上面沉积外电极。
上述硅基低磁场巨磁阻磁传感器件的性能测试方法：将两个外电极分别连接到电压源的正负极，用两电极法测量磁电阻变化。
进一步，测量两个外电极所得到的电流电压特性呈现出S型电流控制的微分负电导现象，所形成的微分负电导区域可以被磁场调控，发生移动。
本发明的有益效果为：所得到器件在温度300K,磁场0.05T，采用电压源测试，测试电压<5V的条件下，器件的磁阻可以达到1,000％量级；这个巨大磁阻源自于电流控制的微分负电导导致的电阻变化。这种基于重掺杂区、单晶硅和金属电极的器件，其同磁场下(0.05T)磁电阻数值比普通的硅磁阻大5个数量级，磁电阻数值也远大于商用GMR和TMR材料。这种器件在低磁场能呈现显著的磁电阻效应，在0.05T磁场下呈现出1,000％的磁电阻，具有很高的低磁场灵敏度。该器件还具有价格低廉，制备工艺简单等优点，是一种优异的磁场传感器，在磁盘读出磁头、电子指南针、运动装置监测等领域有潜在应用。
附图说明
图1为基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件结构图；
图2为基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件磁电阻测量配置示意图；
图3为基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件电学测量测试结果图；
图4为基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件磁电阻测量测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1所示为基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件结构图，图2为基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件磁电阻测量配置示意图，其中各标号表示：100-基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件，101-Si单晶基片，102-重掺杂区域，103-外电极，104-电压表，105-电压源，106-磁场。
制作基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件100(如图1)，需要先用标准的半导体RCA清洗流程清洗电阻率为3000Ω·cm的n型Si(100)单晶基片101表面，然后在上面用PECVD的方法沉积200nm厚度的SiO2薄膜，用光刻的办法在上面刻蚀出20μm×20μm的电极窗口，电极窗口的间距为10μm。接着分多次用离子注入的办法在Si片表面注入P，形成重掺杂区域102。最后用电子束沉积的办法在重掺杂区域上先后沉积Ti和Al，并在300℃下合金化，形成外电极103。至此，一个基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件100就制备完成了。
测试基于微分负电导现象的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件100的磁电阻性能，需要如图2所示，外接一个电压源105和电压表104，测量中磁场106以与Si基片表面垂直的方向均匀地加载在磁传感器件100上。
从磁传感器件100的电学测量结果(如图3)可以发现，电流-电压曲线在4V左右有一个因为S型微分负电导现象引起的跳跃，这个跳跃可以产生电压控制的电阻变化。加磁场后，这个跳跃电压会增加(如图4)，可以在跳跃电压区间内得到巨大的磁电阻(>1,000％)。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种硅基低磁场巨磁阻磁传感器件，其特征在于，包括Si单晶基片、重掺杂区域和外电极；其中Si单晶基片的掺杂浓度小于1016cm-3，电阻率大于0.1Ω·cm；重掺杂区域的掺杂浓度大于1016cm-3，所述低磁场是指磁场强度为0.05T的磁场。
2.根据权利要求1所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件，其特征在于，所述Si单晶基片的迁移率对于n型硅，达到0.1m2/Vs；对于p型硅，达到0.04m2/Vs。
3.根据权利要求1所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件，其特征在于，所述重掺杂区域的掺杂方式为n型掺杂或p型掺杂。
4.根据权利要求1所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件，其特征在于，所述外电极为金属In、Al、Ga、Au、Ti，或者多晶Si。
5.根据权利要求1-4任一项所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件的制备方法，其特征在于，将重掺杂区域和两个外电极制作于Si单晶基片的表面。
6.根据权利要求5所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件的制备方法，其特征在于，先在Si单晶基片的表面形成重掺杂区域，再在重掺杂区域上面沉积外电极。
7.根据权利要求1-4任一项所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件的性能测试方法，其特征在于，将两个外电极分别连接到电压源的正负极，用两电极法测量磁电阻变化。
8.根据权利要求7所述的硅基低磁场巨磁阻磁传感器件的性能测试方法，其特征在于，测量两个外电极所得到的电流电压特性呈现出S型电流控制的微分负电导现象，所形成的微分负电导区域可以被磁场调控，发生移动。
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