CN110518116B - 基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，提供了一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，包括半导体基体、设于半导体基体上的绝缘层以及设于绝缘层上的金属电极，半导体基体、绝缘层以及金属电极构成阻挡层异质结结构。阻挡层异质结结构处于持续的电场中，发生雪崩效应以使器件获得负微分电阻效应的特征，阻挡层异质结结构处于磁场中，雪崩效应受到抑制以获得非饱和磁阻效应的特征。本发明可以得到能在基于雪崩效应的情况下兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，可用于在同一器件中实现多功能领域的应用，如在同一器件中可实现信息存储和电路放大器的功能应用。本发明所涉及的器件结构设计和性能测试方法简单，更易于生产应用。

Description

基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体为一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件。
背景技术
磁阻效应(也可称之为磁电阻效应)是指样品器件的电阻率随外加磁场的变化而变化的效应；负微分电阻效应一般是指在电压增大的同时电流反而减小或者电流增大的过程中电压反而减小的一种非线性电输运效应。在半导体器件的发展过程中，具有巨大磁阻效应的器件可应用于信息存储和传感器等领域；具有负微分电阻效应的器件则可以广泛应用于电路放大器、振荡器、脉冲发生器、存储器以及逻辑功能等领域。因此，半导体器件的磁阻效应和负微分电阻效应一直以来受到了人们的广泛关注。
现有技术中已设计出了很多分别具有磁阻效应和负微分电阻效应的半导体器件，然而由于器件结构、组成器件的各部分成分等因素的差异，磁阻效应和负微分电阻效应往往分别是由不同物理机制导致的，从而很难在同一器件中出现兼具非饱和磁阻和负微分电阻的特征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，可以测试出兼具这两种效应特征的器件，将有利于促进在同一器件中实现多功能领域的应用。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，包括半导体基体、设于所述半导体基体上的绝缘层以及设于所述绝缘层上的金属电极，所述半导体基体、所述绝缘层以及所述金属电极构成阻挡层异质结结构，所述阻挡层异质结结构处于持续的电场中，发生雪崩效应以使所述器件获得负微分电阻效应的特征，所述阻挡层异质结结构处于磁场中，雪崩效应受到抑制以获得非饱和磁阻效应的特征，所述器件兼具的特征都是起源于阻挡层异质结结构的雪崩效应。
进一步，提供的磁场的方向垂直于电场的方向，且在施加所述磁场后，所述阻挡层异质结结构的雪崩效应受到抑制，发生雪崩效应需要的电场强度增大。
进一步，所述半导体基体为Ge、Si、GaAs或GaSb非磁性半导体材料中的一种。
进一步，所述绝缘层为GeO2、SiO2、MgO或Al2O3非磁性氧化物材料中的一种，且所述绝缘层厚度为纳米量级。
进一步，所述金属电极为In、Ag、Al、Au、Pt或Cu非磁性金属中的一种。
进一步，所述金属电极的功函数与半导体的功函数存在差异，导致其构成阻挡层接触类型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以得到能在基于雪崩效应的情况下兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，可用于在同一器件中实现多功能领域的应用，如在同一器件中可实现信息存储和电路放大器的功能应用。本发明所涉及的器件结构设计和性能测试方法简单，更易于进行生产应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件的阻挡层异质结结构处于电场和磁场中的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件测量得到的20K时不同磁场条件下对应的V-I曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件中零磁场条件下雪崩效应发生区中绝缘体内等离子体示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件中施加垂直于电场方向的磁场条件下雪崩效应发生区中绝缘体内等离子体示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件计算得到20K时500μA、800μA和1000μA对应电流下的MR-B曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明实施例提供一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，包括半导体基体、设于所述半导体基体上的绝缘层以及设于所述绝缘层上的金属电极，所述半导体基体、所述绝缘层以及所述金属电极构成阻挡层异质结结构，所述阻挡层异质结结构处于持续的电场中，发生雪崩效应以使所述器件获得负微分电阻效应的特征，所述阻挡层异质结结构处于磁场中，雪崩效应受到抑制以获得非饱和磁阻效应的特征，所述器件兼具的特征都是起源于阻挡层异质结结构的雪崩效应。优选的，提供的磁场的方向垂直于电场的方向，且在施加所述磁场后，所述阻挡层异质结结构的雪崩效应受到抑制，发生雪崩效应需要的电场强度增大。在本实施例中，阻挡层异质结结构由半导体基体、所述绝缘层以及所述金属电极这三层组成，对已制好的器件在温度为20K和不同磁场条件下通过两线法进行电输运性能测量，本案例选择电流源作为电源进行分析，施加电流范围为0～2000μA，测量结果参照图2。由图2可以发现，所有的V-I曲线都为非线性特征，并且都存在明显的起始电压，说明该器件的确为阻挡层异质结结构器件。当磁场强度为零时，随着施加电流的增大，电压逐渐增大，当电流达到某个数值时，电压增大到阈值电压Vth，继续增大电流以后，电压并未继续增大，而是随着电流的增大而减小，呈现负微分电阻效应。阻挡层异质结结构在被施加足够强的电场后，其结构内便开始发生雪崩效应，即阻挡层异质结结构(半导体基体、绝缘层以及金属电极)处于雪崩效应发生区中，对于雪崩效应发生区的异质结结构，由于雪崩发生区往往不可避免的存在缺陷，因此其雪崩过程也往往是由许多局部的雪崩效应所共同构成的，每个局部的雪崩过程都依次形成等离子体(如图3所示)。当局部雪崩过程依次发生时，由于雪崩效应而产生的载流子注入到半导体基体内，对应的载流子浓度p增大。根据半导体电阻R计算公式
Figure BDA0002157388900000041
式中q为电荷量，μp为半导体基体的迁移率，l和S分别为金属电极间距和样品横截面积。其中q、l和S数值不变，在恒定温度情况下，μp可视为常数。因此，当雪崩效应发生以后，器件电阻R逐渐减小，从而出现了负微分电阻效应。而在施加磁场以后，抑制了阻挡层异质结结构的雪崩效应，即等离子体的形成受到抑制(如图4所示)，此时雪崩发生区发生雪崩效应所需的阈值电压Vth将增大，雪崩效应更加剧烈，注入载流子浓度更高，雪崩效应发生以后对应负微分电阻效应更为明显，此时由于Vth随磁场强度的增大而增大，从而使得在相同电流下表现出巨大磁阻效应。根据磁阻的计算公式
Figure BDA0002157388900000042
式中R(B)和R(0)分别为施加一定强度的磁场B和零磁场条件下的器件电阻数值，并以负微分电阻区域的500μA、800μA和1000μA为例进行磁阻效应示例，所得结果如图5所示。从图5中可以发现，磁阻数值较大且都为正值，磁阻数值随外加磁场强度的增大而增大，且表现为非饱和趋势，其中在1T条件下最大磁阻数值可高达约为14.7％。至此，本器件在具有明显负微分电阻效应的同时也能具有性能十分优异的非饱和特征的磁阻效应。
作为本发明实施例的优化方案，所述半导体基体为Ge、Si、GaAs或GaSb非磁性半导体材料中的一种，例如选择p-Si作为半导体基体材料。优选的，所述绝缘层为GeO2、SiO2、MgO或Al2O3非磁性氧化物材料中的一种，例如选择SiO2作为绝缘层。优选的，所述金属电极为In、Ag、Al、Au、Pt或Cu非磁性金属中的一种，例如采用In金属电极。
作为本发明实施例的优化方案，所述半导体基体的室温电阻率大于1000Ω·cm，厚度为0.5mm。优选的，所述绝缘层的厚度在2～3nm之间。优选的，用合金刻字笔将半导体基体切成长度为2.48mm，宽度为1.5mm的长条。
作为本发明实施例的优化方案，所述金属电极的制备方法具体为：将半导体基体用丙酮和无水乙醇依次超声清洗，清洗时间优选为10min，重复该清洗步骤两次，确保基体材料表面清洗干净，最后将清洗干净后的基体材料取出，用氩气吹干表面，接着通过压铟法在基体表面氧化层两端制备两个金属电极，然后通过点银浆的方式在两个金属电极上分别引出铜导线，最后将该样品放置于烘箱进行低温60℃烘干固化处理，得到所需器件。在本实施例中，由于金属电极的功函数(约为3.8eV)小于半导体基体的功函数(大于4.61eV)，并且两者之间存在一层绝缘层，根据金属半导体接触理论，可知金属电极与半导体基体形成的是肖特基异质结接触，即所得器件为阻挡层异质结结构。施加磁场的方向平行于样品表面且垂直于外电场方向，器件结构的示意图如图1所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，其特征在于：包括半导体基体、设于所述半导体基体上的绝缘层以及设于所述绝缘层上的金属电极，所述半导体基体、所述绝缘层以及所述金属电极构成阻挡层异质结结构，所述阻挡层异质结结构处于持续的电场中，发生雪崩效应以使所述器件获得负微分电阻效应的特征，所述阻挡层异质结结构处于磁场中，雪崩效应受到抑制以获得非饱和磁阻效应的特征，所述器件兼具的特征都是起源于阻挡层异质结结构的雪崩效应；提供的磁场的方向垂直于电场的方向，且在施加所述磁场后，所述阻挡层异质结结构的雪崩效应受到抑制，发生雪崩效应需要的电场强度增大。
2.如权利要求1所述的基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，其特征在于：所述半导体基体为Ge、Si、GaAs或GaSb非磁性半导体材料中的一种。
3.如权利要求1所述的基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，其特征在于：所述绝缘层为GeO2、SiO2、MgO或Al2O3非磁性氧化物材料中的一种，且所述绝缘层厚度为纳米量级。
4.如权利要求1所述的基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，其特征在于：所述金属电极为In、Ag、Al、Au、Pt或Cu非磁性金属中的一种。
5.如权利要求1所述的基于雪崩效应的兼具非饱和磁阻和负微分电阻特征的器件，其特征在于：所述金属电极的功函数与半导体的功函数存在差异，导致其构成阻挡层接触类型。
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