半导体pn结磁电阻效应的研究

摘要

根据摩尔定律的预测，半导体电子器件的集成度将逐渐达到其基础极限，传统半导体的性能很难进一步得到提升。而实现传统半导体大的磁电阻效应不仅仅可以赋予传统半导体器件新的应用价值，而且还能够给予半导体磁电子学新的研究思路。到目前为止，在窄禁带的银硫族化合物，锑化铟，以及碲化钨中，还有传统半导体砷化镓，锗以及硅等半导体材料中都报道了磁场对电输运行为明显的调制作用，即产生一个大且不饱和的磁电阻效应。但是，对于半导体器件的核心部件pn结的磁电阻效应研究仍然缺乏，这显然不利于半导体磁电子器件的进一步发展和应用。因此，我们以半导体硅和砷化镓为材料，通过离子注入技术与磁控溅射技术制备了pn结二极管与肖特基二极管，并且从理论和实验两方面系统研究了pn结的磁电阻效应，具体如下：　　1.我们从传统单pn结输运方程出发，在考虑磁场作用的情况下，发现pn结的空间电荷区构型会受到外磁场的调制，这会导致其输运行为随外加磁场有很大的改变。由计算所得，当磁场达到3T时，室温下磁电阻可以达到20％。这表明传统的pn结二极管有望成为一种受电场和磁场相互耦合作用的多功能器件。我们的考虑随后被实验进一步证实。　　2.通过光刻和离子注入的方法，我们在砷化镓衬底上制备了周期pn结点阵器件。在80-430K的温度范围内，该器件的开路光电压随磁场在0-1500Oe的范围内线性变化。相比于没有点阵的砷化镓器件，周期点阵砷化镓器件的磁灵敏度在室温下有了近一百倍的提升，可以达到74μV/Oe。通过改变温度与点阵间距，我们认为磁光电效应的增强来源于周期pn结点阵的耦合。　　3.通过磁控溅射技术我们制备了Si/N i80Fe20薄膜的肖特基二极管并且研究了其各向异性磁塞贝克效应(AMS)。利用激光对样品进行局域加热来产生一个横向的温度梯度，进而在相邻电极之间产生了一个热电势。当Ni80Fe20的磁矩方向从垂直于温度梯度转动到平行于温度梯度的过程中，热电势发生了1.2μV的变化，据此计算得到的各向异性磁塞贝克数值等于0.606%，这个数值与各向异性磁电阻效应(AMR=0.541%)基本一致。由此我们认为热驱动的AMS与电驱动的AMR有相同的起源。

目录

声明

第一章 绪论

1 .1引言

1 .2磁电阻效应

1 .3本课题的研究内容

参考文献

第二章 器件的制备以及测量

2 .1引言

2 .2器件的制备

2 .3器件的测量

参考文献

第三章 非磁性pn结中由空间电荷导致的大磁电阻效应

3 .1引言

3 .2 pn结磁电阻效应的理论模型

3 .3本章小结

参考文献

第四章 周期点阵砷化镓中pn结耦合引发的磁光电效应增强

4 .1引言

4 .2周期点阵砷化镓的器件结构以及电输运特性

4 .3周期点阵砷化镓器件的光电压随磁场大小的依赖关系

4 .4 周期点阵砷化镓器件磁光电效应随外磁场的角度依赖关系

4 .5 周期点阵砷化镓器件磁光电效应的温度依赖

4 .6 本章小结

参考文献

第五章 Si/Ni80Fe20肖特基结中光热效应的磁场调制

5 .1 引言

5 .2 Si/Ni80Fe20肖特基结的制备

5 .3 Si/Ni80Fe20肖特基结热电压的光调制

5 .4 Si/Ni80Fe20肖特基结热电压随磁场大小的依赖关系

5 .5 Si/Ni80Fe20肖特基结热电压随磁场角度的依赖关系

5 .6 Si/Ni80Fe20肖特基结中各向异性磁塞贝克效应的温度依赖关系

5 .7 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6 .1 结论

6 .2展望

研究生期间的研究成果

致谢