一种硅基异质PN结构几何巨磁阻器件及其制备方法

摘要

本发明公开了属于磁检测和磁传感器材料以及相关测控器件技术领域的一种硅基异质PN结构巨磁阻器件及其制备方法。该硅基巨磁阻器件是将p型/n型单晶Si(100)基片通过金属压焊或熔接(金属键合)制成p-Si/金属/n-Si串联型异质PN结构，制备时将p型/n型Si基片用丙酮(或酒精)漂洗干净后裁剪并进行金属键合，用功函数功函数接近Si材料的金属沉积(或者压制)法制作电极于p型/n型Si基片。在每个Si基片上各设有2个电极，4个电极必须一一对齐。该磁阻器件的结构和制备工艺简单、对磁场的响应-灵敏，因此在磁检测和磁电控制技术领域有着深远的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于场效应检测和传感器材料以及相关器件技术领域，特别涉及磁 检测和磁控器件技术及其制备技术领域。

背景技术

1988年，鉴于Fert和Grünberg发现巨磁电阻(GMR)效应且对自旋电子 学和纳米科学做出的巨大贡献而获得了诺贝尔物理学奖。巨磁阻效应作为磁检 测和磁传感领域的核心技术之一，在磁存储和磁控技术上得到了飞速的发展。 然而，当磁性材料器件的尺寸达到纳米尺度时，由于超顺磁现象而影响自身磁 化强度，这对依赖于磁化强度的磁阻器件来讲是致命缺点之一。为了符合纳米 级超高集成化的要求，人们寻找着能够取代磁性材料的磁电阻材料。硅(Si)作 为当今信息工业的主流材料，它的资源非常丰富其制作工艺非常成熟。而且， 在室温下可以实现显著的磁电阻响应[PRL 100(2008)127202]，这对Si为基础 的半导体工业来讲是一个值得惊喜的大发现。不仅如此，Si又作为非磁性材料 对纳米级超高集成化发展有着深远的发展前景。

2009年，Delmo等人[Nature 457(2009)1112]在纯Si基器件上发现了巨大 磁电阻现象。他们在室温(300K)、3T磁场下，实现了1000％左右的磁电阻变 化。同年，Schoonus等人[J.Phys.D：Appl.Phys.42(2009)185011]亦在纯Si 器件中发现了显著的磁电阻效应，在室温下可以实现1000％的磁阻响应。然而， 这些器件不仅在低磁场下灵敏度较低而且所需工作功率(0.1W～1W)较大，暂 时无法满足实际工业应用需求。

在非磁性材料磁电阻现象研究上，除了Si基巨磁电阻材料外，在其他体系 中也发现了显著的磁电阻现象。Solin等人[Science，289(2000)1530]在InSb/Au 结构上实现了磁电阻现象。这种结构不仅具有较低磁场下的灵敏度而且其功耗 较低，具备了优异的磁电阻性能。然而，该器件的结构和制备工艺复杂况且原 料成本较高，不利于实际工业的应用和实现超高集成化的目的。鉴于以上现况， 我们提出了可与Solin等人设计的结构磁阻器件相比拟的Si基几何巨磁阻器件。 考虑到该Si基器件的几何形状对磁电阻效应的影响，该器件有着可实现更加优 异磁电阻性能的潜力。如在常温、1.2T磁场作用下，可实现约3000％的磁电阻 效应，甚至在0.06T磁场作用下，也达到5％以上的稳定磁电阻效应。这种设 计的器件不仅比Delmo和Schoonus等人设计的器件拥有更高的磁电阻性能，而 且由于该器件的功耗可达到μW级比我们以前公开的纯Si基几何巨磁电阻器件 能耗上更加优越。我们认为Si基几何巨磁阻器件已具备了工业实用化要求且具 有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为磁检测及测控技术领域提供一种高效的巨磁阻器件及其 简单的制备方法。

1、一种硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，该巨磁阻器件是p型和n型两种 Si(100)基片通过金属键合(金属压焊或熔焊)而成的串联型PN结构；根据 结构可制备成层状或侧联型硅基异质PN结构(如图1所示)，对于层状硅基异 质PN结构，p型和n型Si基片的一面通过金属键合对齐相接得到层状硅基异质 PN结构，在层状硅基异质PN结构的上下表面上，各自设置2个电极共4个电 极，这4个电极要上下左右相互对齐；对于侧联型硅基异质PN结构，p型和n 型两种Si(100)基片的一侧通过金属键合对齐相接得到侧联型硅基异质PN结 构，在侧联型硅基异质PN结构的同一侧表面设置4个电极，其中p型和n型 Si(100)基片上各2个，这4个电极形成的几何形状为矩形。

几何巨磁阻效应的具体测量方法上，测量仪器利用的是Keithley 2400数字 源表。电流源两极各自连接于硅基异质PN结构同一侧p型和n型硅基片上的电 极，其两个电流源电极间距用L_C表示；另一侧p型和n型硅基片上则连接电压 表的两极，其中同一基片上两个电极的间距用W_C表示，所述距离不包括两个硅 基片之间金属层的厚度；电流源和电压表的正极连接与p型(或n型)硅基片， 负极则连接于n型(或p型)硅基片；对于层状硅基异质PN结构外加磁场方向 平行于硅基异质PN结构平面，对于侧联型硅基异质PN结构外加磁场方向则垂 直于硅基异质PN结构平面。

换言之，W_C即为接电流源与接电压表的正(负)电极之间的间距，L_C即为 接电流源(或接电压表)的正负电极之间的间距，为了实现低磁场下的巨大磁 阻响应，两间距的比值优选大于等于1，即W_C/L_C≥1。在这里要强调的是该 硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的关键特征在于利用金属键合拼接p型/n型 两种Si基片以构成p-Si/金属/n-Si串联型异质PN结构。

该巨磁阻器件的接电流源和接电压表的正(负)电极之间的间距(W_C)和 在接电流源(或接电压表)的正负电极之间的间距(L_C)之比W_C/L_C≥1时能 够显著地提高磁电阻性能，这就是几何巨磁阻器件的最大优点。根据实际需要 选择适当W_C/L_C比值的几何巨磁阻器件可更有效地提高磁电阻性能，通常比值 越大性能越好。图1所示器件共有4个用功函数接近Si材料的金属电极，其中 2个用于连接电流源，另外2个用于连接电压表。该器件的电极和Si基片之间 有一层氧化层，氧化层厚度为大于0小于等于5nm。该氧化层可选用Si自身的 自然氧化层(SiO₂)或者人工沉积SiO₂、Al₂O₃或MgO等氧化层。上述电极及p 型/n型硅基片键合采用功函数接近Si材料的金属(Φ＝4～5.5eV)以尽可能 实现欧姆接触，如In(铟)，Al(铝)，Ag(银)，Ti(钛)，Au(金)、Ni(镍) 等。上述p型/n型两种Si(100)基片需选用电阻率大于等于100Ω·cm、少子 寿命大于10μs的Si(100)基片。

2、上述硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法，其中：

层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法如下：

(1)将n型和p型Si(100)基片清洗干净，通常可用丙酮(乙醇)超声漂 洗；

(2)在Si基片的表面形成一层自然氧化层或者人工生成氧化层；

(3)按照所需尺寸(W/L)切割相同尺寸的p型和n型单晶Si(100)基片， 基片长度用L表示，宽度用W表示；

(4)将功函数接近Si材料的金属分别沉积或者等厚压制在p型和n型单晶 Si(100)基片的一面；

(5)利用金属键合(熔焊或压焊法)将p型和n型单晶Si(100)基片的压 制(沉积)金属的一面对齐相接，制备成p-Si基片/金属/n-Si基片的层状硅 基异质PN结构(如金属为In，应在160～200℃下进行熔接)；

(6)在层状硅基异质PN结构的上下表面上按照所需尺寸(W_C/L_C)和配置 制作金属电极，其4个电极必须要一一对齐；

(7)将层状硅基异质PN结构置于加热台(或加热箱)内烘烤10～30分钟 (根据金属特性，如金属为In，见熔化即可)，再自然冷却至室温，使金属电极 和器件之间的接触更加紧密，并完成硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备。

侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备方法如下：

(1)将n型和p型Si(100)基片用丙酮(乙醇)超声漂洗干净；

(2)在Si基片的表面形成一层自然氧化层或者人工生成氧化层；

(3)按照所需尺寸(W/L)切割相同尺寸的p型/n型单晶Si(100)基片；

(4)利用金属键合法将p型和n型单晶Si(100)基片的一侧对齐相接， 制备成p-Si基片/金属/n-Si基片侧联型硅基异质PN结构；

(6)在侧联型硅基异质PN结构的表面按照所需尺寸(W_C/L_C)和配置制作 金属电极，其4个电极必须以矩形要一一对齐；

(7)将侧联型硅基异质PN结构置于加热台上烘烤(退火)，再自然冷却至 室温，完成侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的制备。

鉴于金属的自身特性，利用In金属时，在160～200℃下烘烤，见金属熔化 立即开始自然冷却直至室温；利用Al或Ag金属时，则可以采用沉积法(或蒸 镀)制作电极后，在熔点以下温度进行退火即可。通过退火使p-Si基片/金属 /n-Si基片之间的接触更加紧密。

所述氧化层的生成方法为，将纯Si片洗净后在室温常压下放置1分钟以上， 即得1.2nm左右厚的自然SiO₂氧化层。或者，利用氧化物沉积法人工沉积小于 等于5nm厚度的SiO₂、Al₂O₃、MgO等氧化层。

本发明的有益效果为：

1、所制得的硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，在室温(300K)、1.2T磁 场、44μA测试电流下，其磁电阻可以达到1000％量级；在室温(300K)、1.2T 磁场、2.4μA测试电流下，其磁电阻仍然可达100％量级，具有很好的高场磁阻 性能。

2、该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的磁电阻性能比普通硅基磁电阻器 件更加稳定。在0.06T低磁场作用下，也达到5％以上较稳定的磁电阻效应。

3、该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件可以在5V和0.05mA以内的条件 下正常工作，其功率在0.25mW以下。

4、该硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，不仅结构简单、原材料资源丰富， 而且其制备工艺简单，在磁检测、磁电传感及相关测控领域上有很好的应用前 景。

总之，本发明的硅基异质PN结构巨磁阻器件，有非常敏感的磁阻效应。在 毫特(mT)级低磁场下磁阻变化可达到5％以上，如果适当增加接电流源和接 电压表的正(负)电极之间间距(W_C)和接电流源(电压表)正负电极之间间 距(L_C)的几何比值，其磁阻在特斯拉(T)级磁场下可达到1000％量级。该 磁阻器件的结构和制备工艺简单、对磁场的响应非常灵敏，因此在磁检测和磁 电控制技术领域有着深远的应用前景。

附图说明

图1为层状和侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件及其磁电阻性能测试 的示意图；

图2为实施例1，不同磁场下W_C/L_C＝5的层状硅基异质PN结构几何巨磁 阻器件的磁阻性能；

图3为实施例2，1.2T高磁场条件下W_C/L_C＝16的侧联型硅基异质PN结构 几何巨磁阻器件磁阻性能。

图4为实施例3，1.2T高磁场条件下W_C/L_C＝0.1的层状硅基异质PN结构 几何巨磁阻器件磁阻性能。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方 式限制本发明。

实施例1

层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，该巨磁阻器件是p型和n型两种 Si(100)基片通过金属In键合而成。所述基片表面有自然氧化层，两种基片尺 寸相同，都为长L＝8.5mm，宽W＝4mm，厚度为500μm，p型和n型Si基片 的一面通过金属In键合对齐相接，在层状硅基异质PN结构的上下表面上，各 自设置2个电极共4个电极，这4个电极上下左右相互对齐；其中层状硅基异 质PN结构的同一侧两个上下对齐的电极接电流源，另一侧两个电极则接电压 表，位于不同硅基片且同一侧的两个电极的距离(即接电流源或电压表的正负 电极之间的间距)L_C＝L₁+L₂＝1mm，所述距离不包括两个硅基片之间金属层 的厚度，L₁为p型硅基片厚度，L₂为n型硅基片厚度。位于同型硅基片的两个 电极的间距(即接电流源与接电压表的正(负)电极之间的间距)W_C＝5mm， W_C/L_C＝5。

上述几何巨磁阻器件的制备方法为：将厚度为500μm电阻率为3000Ω·cm 双面抛光的n型Si(100)基片和厚度为500μm电阻率为100Ω·cm的双面抛光 的p型Si(100)基片用丙酮超声漂洗干净，所述Si(100)基片少子寿命大于 10μs，在室温常压下放置1分钟以上，即得1.2nm厚的SiO₂氧化层，将基片裁 剪成长L＝8.5mm，宽W＝4mm的长条状。利用高纯软金属In(＞99.9％)薄膜， 在160～200℃下通过熔接法(见金属熔化立即开始自然冷却直至室温)将p型 和n型单晶Si(100)基片对齐相接。再用金属In在上下两种Si片表面上各压 制对齐的2个电极(共4个电极)。电极的尺寸为沿Si片长度方向1.5mm，沿 Si片宽度方向3.5mm。如图1所示，L_C＝1mm，W_C＝5mm  (即W_C/L_C＝5)。 随后将器件置于加热台上在160～200℃下加热，见In要熔化立即开始自然冷却 直至室温。至此一个层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件就制备完成了。

所制备的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的结构表征和界面结构由 TEM(JEOL-2011)进行观察；IV性能由Keithley2400数字源表用四探针法测 量；磁场由1.2T永磁铁和利用DH1720-4型直流稳压稳流电源(0～70V，3A) 的电磁铁提供；特殊材料电极和金属键合面由脉冲激光沉积(PLD)制作。该器 件有4个电极，其中一对电极用来接恒流源，另外一对电极则用来接电压表， 如图1所示。硅基异质PN结构几何巨磁阻器件中，硅表面的本征氧化层厚度约 为1.2nm。

图2为室温(300K)、不同磁场条件下，所制得的层状硅基异质PN结构几何 巨磁阻器件的磁阻性能实施例。从随电流变化的磁阻曲线图可以看出，该器件 作为一种异质PN结构在正向电流和反向电流下，其磁阻性能明显不对称。在一 个特定电流值-1.7μA下，该器件的磁电阻性能表现非常突出。随着磁场强度的 逐渐增加，该器件的磁电阻性能表现得更加明显。在较高的1200mT磁场下其 磁电阻性能达到了62％以上，且在较低磁场下，除61mT磁场下呈现5％左右 稳定的磁敏感度外，其他情况都达到了18％以上的磁电阻性能。该硅基异质PN 结构几何巨磁阻器件的磁电阻性能，在较小几何比值W_C/L_C＝5下已达到宏观可 辨的磁电阻性能。

附图2的性能测试结果针对实施例1。测试示意图针对所有层状硅基异质 PN结构几何巨磁阻器件实施例。

实施例2

侧联型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，该巨磁阻器件是p型和n型两种 Si(100)基片通过金属In键合而成。所述基片表面有氧化层，两种基片尺寸相 同，都为长L＝8.5mm，宽W＝4mm，厚度为500μm，p型和n型两种Si(100) 基片的一侧通过金属In键合对齐相接，在侧联型硅基异质PN结构的一面设置4 个电极，其中p型和n型Si(100)基片上各2个，这4个电极以矩形一一对齐。 p型基片上的一个电极和同一侧的n型基片上的电极接电流源，另外两个电极接 电压表，位于同一基片的两个电极的间距(即接电流源与接电压表的正(负) 极之间的间距)W_C＝6.5mm；位于不同基片且同一侧的两个电极的距离(即接 电流源或电压表的正负电极之间的间距)L_C＝L₁+L₂＝0.4mm，L₁为p型基片上 的电极与金属层的距离，L₂为n型基片上的电极与金属层的距离，L_C不包括金 属层厚度，即W_C/L_C＝16。

上述几何巨磁阻器件的制备方法为：将500μm厚电阻率为3000Ω·cm的双 面抛光的n型Si(100)基片和500μm厚电阻率为100Ω·cm的双(单)面抛光 的p型Si(100)基片用丙酮超声漂洗干净，在室温常压下放置1分钟以上，即 得1.2nm厚的SiO₂氧化层，将基片裁剪成长L＝8.5mm，宽W＝4mm的长条 状。利用高纯软金属In(＞99.9％)带状条，在160～200℃下通过熔接法(见金 属熔化立即开始自然冷却直至室温)将p型和n型单晶Si(100)基片的侧面对 齐相接。再用金属In在两种Si片表面上各压制2个电极(共4个电极需矩形对 齐)。电极的尺寸为：沿Si片长度方向1mm，沿Si片宽度方向1.5mm。如图1 所示，L_C＝0.4mm，W_C＝6.5mm(约W_C/L_C＝16)。随后器件再置于加热台上 在160～200℃下加热，见In要熔化立即开始自然冷却直至室温。至此一个侧联 型硅基异质PN结构几何巨磁阻器件就制备完成了。

本实施例制备的硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，在室温、1.2T的磁场 下，其电阻变化也可以达到1000％以上，磁场灵敏度优于已报道的Si基磁阻器 件性能。在某些电流下，如：在1.2T磁场条件下，电流为44μA时即可实现高 达2770％的磁阻效应。该磁场灵敏度已经可以与Solin等人发明的InSb基磁电 阻器件相比拟。

附图3的性能测试结果针对实施例2。测试示意图针对所有侧联型硅基异质 PN结构几何巨磁阻器件实施例。

实施例3

层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件，该巨磁阻器件是p型和n型两种 Si(100)基片通过金属Al界面拼接而成，所述基片表面有氧化层，两种基片尺 寸相同，都为长L＝7mm，宽W＝5mm，厚度为500μm，p型和n型Si基片 的一面通过金属Al对齐相接，在层状硅基异质PN结构的上下表面上，各自设 置2个电极共4个电极，这4个电极上下左右对齐，其中两个上下对齐的电极 接电流源，另外两个电极接电压表，位于同一基片的两个电极的间距W_C＝0.1 mm，位于不同基片且同侧的两个电极的距离L_C＝1mm，W_C/L_C＝0.1。

上述几何巨磁阻器件的制备方法为：将厚度为500μm电阻率为1000Ω·cm 双面抛光的n型Si(100)基片和厚度为500μm电阻率为1000Ω·cm的双面抛光 的p型Si(100)基片用丙酮超声漂洗干净，在室温常压下放置1分钟以上，即 自然氧化得到SiO₂层，将基片裁剪成长L＝7mm，宽W＝5mm的长方形状。 分别在p型和n型两种Si基片的一面沉积(利用PLD)功函数较小的高纯金属 Al薄膜，然后利用压焊法(利用高纯软金属铟)将p型和n型单晶Si(100)基 片沉积金属的一面对齐相接。再利用金属Al沉积(利用PLD)在上下两种Si 片表面上各压制对齐的2个电极(共4个电极)。电极的尺寸为沿Si片长度方向 1.5mm，沿Si片宽度方向2mm。L_C＝1mm，W_C＝0.1mm  (即W_C/L_C＝0.1)。 随后将器件置于加热台上在160～200℃下加热，见键合用金属铟熔化立即开始 自然冷却直至室温。至此一个层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件就制备完 成。采用金属A1电极的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件(W_C/L_C＝0.1)， 在室温、1.2T磁场条件下，电流为-10μA时也可实现高达30％以上的磁阻效 应(见图4)。

附图4的性能测试结果针对实施例3。测试示意图针对所有采用金属Al电 极的层状硅基异质PN结构几何巨磁阻器件实施例。

综上所诉，我们发明的硅基异质PN结构几何巨磁阻器件的工作电压为5V 以下、功率为0.25mW以下，其磁阻性能显著而稳定。该器件不仅结构简单而 且其制备工艺也简单。不仅如此，该器件的整个制造过程简单易行，原材料来 源丰富，成本低。因此这种器件在磁检测、磁控及磁传感领域有很好的潜在应 用前景。

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示的技术范围内，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。