[發(fā)明專利]具有電流調(diào)控磁電阻效應(yīng)的Fe3O4/p-Si結(jié)構(gòu)及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110339932.5
• 申請日: 2011-11-01
• 公開（公告）號: CN102509768A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 米文博;金朝;白海力
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12;C23C14/35;C23C14/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 王麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有電流調(diào)控磁電阻效應(yīng)的Fe₃O₄/p-Si結(jié)構(gòu)及制備方法，更具體地，是一種可以通過電流強(qiáng)度調(diào)控磁電阻效應(yīng)的Fe₃O₄/p-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)

近年來，由于在磁信息存儲和讀取方面具有巨大的應(yīng)用前景，自旋電子學(xué)材料備受關(guān)注。2007年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了自旋電子學(xué)的開創(chuàng)者Albert?Fert和Peter?Grünberg兩位教授。現(xiàn)在，如何將具有高自旋極化率的材料和半導(dǎo)體材料復(fù)合在一起，產(chǎn)生具有較大磁電阻效應(yīng)是人們要解決的問題。

第一性原理計(jì)算表明，F(xiàn)e₃O₄、La_1-xA_xMnO₃(LAMO，A為堿土元素Ca、Sr和Ba等)、CrO₂、NiMnSb等材料的能帶結(jié)構(gòu)介于金屬和絕緣體之間，被稱為半金屬材料。對于一個(gè)自旋方向，半金屬材料的能帶結(jié)構(gòu)具有金屬特性，在費(fèi)米面附近具有一定的態(tài)密度；而對另一種自旋方向，其能帶結(jié)構(gòu)具有絕緣體特性，在費(fèi)米面附近態(tài)密度為零或電子是局域化的。因此，從理論上講，半金屬材料應(yīng)具有100％的自旋極化率。LAMO和CrO₂材料的居里溫度都比較低，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。Heusler合金的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格也比較貴，不容易制備，并不利于實(shí)際生產(chǎn)。Fe₃O₄材料，具有居里溫度高、電阻率與半導(dǎo)體匹配等特點(diǎn)，因此將Fe₃O₄作為鐵磁層與半導(dǎo)體復(fù)合在一起會(huì)獲得具有磁電阻效應(yīng)的復(fù)合材料。

目前，國內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)報(bào)道中只有中國的Wang等人在APPLIED?PHYSICS?LETTERS?92，012122(2008)上報(bào)道的采用激光分子束外延方法在n型Si上生長了Fe₃O₄層，并在50kOe的磁場下測量得到的最大磁電阻值為6％。Mi等人在JOURNAL?OF?APPLIED?PHYSICS?107，103922(2010)上報(bào)道采用磁控濺射法在基底不加熱的情況下在電阻率為2Ωcm的p型Si基底上制備了Fe₃O₄層，并在90kOe的磁場和100mA的電流下觀察到了30％的磁電阻值。

Mi等人在JOURNAL?OF?APPLIED?PHYSICS?107，103922(2010)上報(bào)道的磁電阻效應(yīng)是電流縱向流過該結(jié)構(gòu)的，即電流是從Fe₃O₄流向Si。另外，實(shí)際應(yīng)用中多以低電流為主，這樣可以節(jié)省能源；并且需要高的磁電阻值，提高器件的靈敏度，從而上面提到的研究結(jié)果并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

發(fā)明內(nèi)容

從工業(yè)化生產(chǎn)的角度來講，需要使用濺射法來制備樣品；從實(shí)際應(yīng)用上需要制備的樣品具有較高的磁電阻效應(yīng)，并且需要產(chǎn)生磁電阻效應(yīng)的電流較小，這樣有利于節(jié)能。本發(fā)明即從以上兩個(gè)目的出發(fā)，開發(fā)了具有電流調(diào)控磁電阻效應(yīng)的Fe₃O₄/p-Si結(jié)構(gòu)，并且在較低電流下觀察到了較大磁電阻效應(yīng)，同時(shí)該磁電阻效應(yīng)是面內(nèi)磁電阻效應(yīng)，即電流是在Fe₃O₄層面內(nèi)流過的，而不是縱向通過該結(jié)構(gòu)的。

本發(fā)明的一種具有電流調(diào)控磁電阻效應(yīng)的Fe₃O₄/p-Si結(jié)構(gòu)，是在p型Si單晶基底上生長Fe₃O₄；該異質(zhì)結(jié)構(gòu)在100K溫度下、50kOe磁場下、1mA的電流范圍內(nèi)，最大磁電阻值可達(dá)40％。在90kOe的磁場和100mA的電流下觀察到了30％的磁電阻值，該結(jié)果比本發(fā)明中所用到的磁場要高、電流強(qiáng)度要大，但是磁電阻值卻比本發(fā)明的結(jié)果低。

本發(fā)明的具有電流調(diào)控磁電阻效應(yīng)的Fe₃O₄/p-Si結(jié)構(gòu)，采用的基底材料為電阻率為0.02Ωcm的p型Si(100)單晶片，這里用到的p型Si(100)單晶片的電阻率比Mi等人在JOURNAL?OF?APPLIED?PHYSICS?107，103922(2010)上用的p型Si(100)單晶片的電阻率低2個(gè)數(shù)量級，并且在制備過程中對基底進(jìn)行了加熱，從而Fe₃O₄的結(jié)晶程度變好。

具體步驟如下：