RU2561232C1 - Чувствительный элемент на основе магнитоимпеданса - Google Patents
Чувствительный элемент на основе магнитоимпеданса Download PDFInfo
- Publication number
- RU2561232C1 RU2561232C1 RU2014124563/28A RU2014124563A RU2561232C1 RU 2561232 C1 RU2561232 C1 RU 2561232C1 RU 2014124563/28 A RU2014124563/28 A RU 2014124563/28A RU 2014124563 A RU2014124563 A RU 2014124563A RU 2561232 C1 RU2561232 C1 RU 2561232C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- semiconductor
- sio
- effect
- substrate
- impedance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Использование: для создания новых элементов, необходимых для хранения, обработки и передачи данных. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент на основе эффекта магнитоимпеданса включает немагнитную подложку, слой диэлектрика и контакты и имеет СРР геометрию, где в качестве подложки используют n-Si, в качестве диэлектрика используют SiO2 и металлические электроды в виде полос, нанесенных на SiO2 и нижнюю часть полупроводника n-Si, и поведение магнитоимпеданса обусловлено процессами перезарядки поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник при приложенном к структуре переменном напряжении. Технический результат: обеспечение возможности реализации большой величины МИ эффекта в МДП структуре при использовании СРР геометрии. 4 ил.
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании новых элементов, необходимых для хранения, обработки и передачи данных.
Магнитный импеданс (МИ) - это эффект изменения комплексного сопротивления, Z=R+iX (как действительной, R, так и мнимой части, X), ферромагнитного проводника при протекании через него переменного тока под действием внешнего магнитного поля.
В 1994 году было обнаружено, что в некоторых магнитомягких материалах относительное изменение импеданса превышает 100% в сравнительно малых магнитных полях (менее 1-10 Э) [Meydan Т. Application of amorphous materials to sensors. J Magn Magn Mater 1995; 133:525-32]. Такая разновидность МИ получила название «Гигантский магнитный импеданс» (ГМИ). Чувствительность ГМИ к внешнему магнитному полю на сегодняшний день достигает 500%/Э, что превышает чувствительность всех других известных эффектов.
Начиная с первой публикации эффекта ГМИ, несколько групп исследователей сосредоточились на том, чтобы улучшать чувствительность и размер датчиков [R. Beach and A. Berkowitz, "Giant Magnetic Field Dependent Impedance of Amorphous FeCoSiB Wire," Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 26, 1994, pp. 3652-3654].
Недостаток этих устройств заключается в габаритах устройств, т.к. датчики ГМИ в современных устройствах требуют производства миниатюрных сенсоров на основе тонких пленок, связанных с полупроводниковой электроникой.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является сенсорный элемент на основе магнитоимпеданса [заявка WO 2010097932A1, МПК G01R 33/02, опубл. 02.09.2010 (прототип)], содержащий немагнитную подложку, слой диэлектрика и контакты. Прототип показывает высокую чувствительность к магнитному полю.
Однако данный элемент основан на эффекте магнитоимпеданса, возникающего за счет скин-эффекта, представлен в планарной геометрии, и, кроме того, прототип представляет собой аморфный провод, что усложняет производство и использование элемента.
Технический результат изобретения заключается в реализации большой величины МИ эффекта в МДП (магнетик/диэлектрик/полупроводник) структуре при использовании CPP (current perpendicular to plane) геометрии, при которой ток перпендикулярен плоскости интерфейсов структуры, и в возможности эффективного управления величиной МИ эффекта током смещения, протекающем через структуру.
Указанный технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе на основе эффекта магнитоимпеданса, включающем немагнитную подложку, слой диэлектрика и контакты, новым являет то, что имеет он СРР геометрию, где в качестве подложки используют n-Si, в качестве диэлектрика используют SiO2 и металлические электроды в виде полос, нанесенных на SiO2 и нижнюю часть полупроводника n-Si, и поведение магнитоимпеданса обусловлено процессами перезарядки поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник при приложенном к структуре переменном напряжении.
В гибридной структуре металл/диэлектрик/полупроводник возникает эффект гигантского магнитоимпеданса за счет принципиально нового механизма благодаря наличию поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник, которые участвуют в процессах перезарядки при воздействии на структуру переменного напряжения. Действие магнитного поля сводится, главным образом, к сдвигу уровней поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Кроме того, при определенном выборе величины тока смещения возможно влияние поля на вероятность туннелирования электронов через потенциальный барьер между поверхностными состояниями и ферромагнитным электродом.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что эффект гигантского магнитоимпеданса возникает за счет наличия поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. И благодаря этому, за счет использования внешнего магнитного поля и тока смещения, в данном устройстве можно варьировать значения магнитосопротивления. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен пример конструкции предлагаемого МИ элемента. На фиг. 2 приведена температурная зависимость реальной части импеданса структуры Fe/SiO2/n-Si при частоте переменного тока 10 КГц и с приложенным внешним напряжением смещения. На фиг. 3 показаны полевые зависимости реальной (а) и мнимой (b) частей импеданса при разных температурах. На фиг. 4 представлена схематическая зонная диаграмма диода Шоттки на основе структуры Fe/SiO2/n-Si.
Чувствительный элемент на основе эффекта магнитоимпеданса состоит из подложки 1, слоя диэлектрика 2, слоя металла 3 и токовых контактов 4.
Устройство представляет собой гибридную структуру в виде диода металл/диэлектрик/полупроводник (МДП) с барьером Шоттки. Структура изготавливается на подложке монокристаллического Si. На поверхности подложки формируется слой диэлектрика, на который напыляется слой металла. Два токовых контакта в виде полос токопроводящего клея наносятся на поверхность железа и на нижнюю часть n-Si.
Работает устройство следующим образом. При воздействии на структуру внешнего магнитного поля Н изменяется значение сопротивления образца. Таким образом, за счет изменения внешнего магнитного поля можно осуществлять изменение магнитосопротивления структуры
При воздействии напряжения смещения Vb также изменяется значение сопротивление образца, а следовательно, магнитосопротивление структуры также меняет значение, фиг. 2. Таким образом, меняя Н и Vb, возможно более гибкое управление эффектом магнитоимпеданса.
В случае МДП структуры поведение импеданса обусловлено процессами перезарядки поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Эти процессы вызваны приложенным к структуре переменным напряжением Vac, что приводит к смещению уровня Ферми через границу энергетических уровней. Сам же эффект магнитоимпеданса в МДП диоде следует рассматривать с позиции влияния магнитного поля на энергетическую структуру поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Хорошо известно, что при изменении напряжения смещения на МДП структуре (Vb) положение энергетических уровней поверхностных состояний изменяется, следуя за смещением краев разрешенных зон полупроводника, в то время как положение уровня Ферми остается неизменным. При включении отрицательного смещения Vb<0 в приповерхностном слое МДП структуры образуется обедненная электронами область, которая действует как добавочный слой диэлектрика и, тем самым, понижает полную емкость структуры. Появление области обеднения при Vb<0 означает, что в области туннельного перехода возникает дополнительное электрическое поле, которое может оказывать влияние на процессы туннелирования между металлом и поверхностными состояниями. В случае положительного смещения Vb>0 влияния на поведение импеданса не обнаруживается. Это, по-видимому, объясняется тем, что основное падение напряжения приходится на объем полупроводника. Тем самым демонстрируется возможность управления при помощи смещения особенностями R(T) и X(T), связанными с поверхностными состояниями, и, следовательно, возможность управления величинами MR и MX, где
Пример практически реализованной структуры соответствует фиг. 1, где 1 - подложка n-Si; 2 - слой SiO2; 3 - слой Fe и 4 - электроды. Такая структура Fe/SiO2/n-Si была изготовлена следующим образом. Подложка n-Si была очищена методом Шираки. На поверхности подложки методом химического окисления формировался слой SiO2, на который нанесен слой Fe методом термического испарения. Контакты были нанесены на поверхность железа и на нижнюю часть n-Si(100) при помощи двухкомпонентного токопроводящего клея. Изменение действительной части импеданса для Fe/SiO2/n-Si представлено на фиг. 2. Изменение в поведении R(T) при включении поля позволяет понять необычное на первый взгляд поведение действительной части импеданса при изменении H (R(H)) при фиксированной температуре, фиг. 3(а). Характер поведения R(H) зависит от того, на каком участке R(T) находится система при H=0, это положение, в свою очередь, полностью определяется температурой. Фиг. 3(а) демонстрирует, что в зависимости от выбора температуры можно реализовать положительное магнитосопротивление, отрицательное магнитосопротивление или даже смену знака магниторезистивного эффекта при определенной величине H.
Магнитосопротивление (MR) мы определяем здесь как
В случае влияния H на (X(H) ситуация более простая (фиг. 3(b)), поскольку в магнитном поле происходит сдвиг X(T) в более высокие температуры, реализуется только
От температуры зависит величина MX и характер поведения X(H).
Можно заключить, что в поле ES сдвигаются в сторону от EC, фиг. 4, меняется, хоть и незначительно, и вид плотности функции поверхностных состояний N(E). Действительно, в этом случае уровень Ферми, который в полупроводнике n-типа при понижении температуры сдвигается в сторону EC, «достигнет» положения энергетических уровней поверхностных состояний при более высоких температурах, чем в отсутствие магнитного поля. Поэтому и пик R(T) в поле также наблюдается при более высоких температурах. Изменение N(E) проявляется в увеличении высоты пика R(T) и в изменении его формы.
Claims (1)
- Чувствительный элемент на основе эффекта магнитоимпеданса, включающий немагнитную подложку, слой диэлектрика и контакты, отличающийся тем, что имеет СРР геометрию, где в качестве подложки используют n-Si, в качестве диэлектрика используют SiO2 и металлические электроды в виде полос, нанесенных на SiO2 и нижнюю часть полупроводника n-Si, и поведение магнитоимпеданса обусловлено процессами перезарядки поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник при приложенном к структуре переменном напряжении.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014124563/28A RU2561232C1 (ru) | 2014-06-17 | 2014-06-17 | Чувствительный элемент на основе магнитоимпеданса |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014124563/28A RU2561232C1 (ru) | 2014-06-17 | 2014-06-17 | Чувствительный элемент на основе магнитоимпеданса |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2561232C1 true RU2561232C1 (ru) | 2015-08-27 |
Family
ID=54015535
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014124563/28A RU2561232C1 (ru) | 2014-06-17 | 2014-06-17 | Чувствительный элемент на основе магнитоимпеданса |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2561232C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1244117B1 (en) * | 2001-03-19 | 2006-12-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Magnetoresistive element, memory element using the magnetorestistive element, and recording/reproduction method for the memory element |
US20080112091A1 (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-15 | Tdk Corporation | Current-confined-path type magnetoresistive element and method of manufacturing same |
RU2392697C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-06-20 | Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук | Туннельный магниторезистивный элемент |
WO2010097932A1 (ja) * | 2009-02-27 | 2010-09-02 | 愛知製鋼株式会社 | マグネトインピーダンスセンサ素子及びその製造方法 |
US20120169330A1 (en) * | 2010-12-31 | 2012-07-05 | Voltafield Technology Corporation | Magnetoresistance sensor and fabricating method thereof |
-
2014
- 2014-06-17 RU RU2014124563/28A patent/RU2561232C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1244117B1 (en) * | 2001-03-19 | 2006-12-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Magnetoresistive element, memory element using the magnetorestistive element, and recording/reproduction method for the memory element |
US20080112091A1 (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-15 | Tdk Corporation | Current-confined-path type magnetoresistive element and method of manufacturing same |
WO2010097932A1 (ja) * | 2009-02-27 | 2010-09-02 | 愛知製鋼株式会社 | マグネトインピーダンスセンサ素子及びその製造方法 |
RU2392697C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-06-20 | Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук | Туннельный магниторезистивный элемент |
US20120169330A1 (en) * | 2010-12-31 | 2012-07-05 | Voltafield Technology Corporation | Magnetoresistance sensor and fabricating method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9599693B2 (en) | Magnetometer with dual purpose reset and calibration coil | |
Han et al. | Spin transport and relaxation in graphene | |
Saito et al. | Electrical creation of spin accumulation in p-type germanium | |
Yang et al. | A Large Magnetoresistance Effect in p–n Junction Devices by the Space‐Charge Effect | |
Koo et al. | Electrical spin injection and detection in an InAs quantum well | |
Takahashi et al. | Electrically tunable three-dimensional g-factor anisotropy in single InAs self-assembled quantum dots | |
Druzhinin et al. | Properties of low-dimentional polysilicon in SOI structures for low temperature sensors | |
Roumenin | Microsensors for magnetic fields | |
WO2013153949A1 (ja) | 磁界測定装置及び磁界測定方法 | |
US20150323615A1 (en) | Wide dynamic range magnetometer | |
RU2561232C1 (ru) | Чувствительный элемент на основе магнитоимпеданса | |
Gerber | Towards Hall effect spintronics | |
Ernult et al. | Spin accumulation in metallic nanoparticles | |
Ishikura et al. | Electrical spin injection from ferromagnet into an InAs quantum well through a MgO tunnel barrier | |
Fedotova et al. | Magnetoresistance in n-Si/SiO_2/Ni Nanostructures Manufactured by Swift Heavy Ion-Induced Modification Technology | |
Devlikanova et al. | The Study of SOI Split-drain Field-effect Hall sensor In Partial Depletion Mode | |
Volkov et al. | Bias-voltage-controlled ac and dc magnetotransport phenomena in hybrid structures | |
Schumann et al. | Magnetoresistance of rolled-up Fe3Si nanomembranes | |
Yang et al. | Electrostatically controlled spin polarization in Graphene-CrSBr magnetic proximity heterostructures | |
Choi et al. | Effects of lateral dimensions of the magnetic thin films on the characteristics of thin-film type orthogonal fluxgate sensors | |
Beyer et al. | Noise of dc-SQUIDs with planar sub-micrometer Nb/HfTi/Nb junctions | |
Polley et al. | Ambipolar gate modulation technique for the reduction of offset and flicker noise in graphene Hall-effect sensors | |
Smolyakov et al. | The Bias-Controlled Magnetoimpedance Effect in a MIS Structure | |
Nakane et al. | Appearance of anisotropic magnetoresistance and electric potential distribution in si-based multiterminal devices with Fe electrodes | |
Inokuchi et al. | Spin-dependent transport mechanisms in CoFe/MgO/n+-Si junctions investigated by frequency response of signals |