界面二氧化硅層對二極管輔助硅基磁電阻效應(yīng)影響的研究

劉 源 譚新玉 樸紅光

（1.三峽大學(xué) 理學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 新能源研究院，湖北 宜昌 443002）

磁致電阻，簡稱磁電阻或者磁阻（magnetoresistance，MR），是表征材料電阻在磁場下的變化率的物理量.MR效應(yīng)幾乎是整個磁傳感工業(yè)的核心，在汽車、航空航天、電子羅盤、計算機(jī)、裝備制造業(yè)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］.1988年Albert Fert教授和Peter Grünberg教授在磁性材料里面發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻（GMR）現(xiàn)象，導(dǎo)致了磁存儲工業(yè)的迅猛發(fā)展，并于2007年度獲得了諾貝爾物理學(xué)獎［2］.

傳統(tǒng)的磁傳感器可以分為兩大類：磁性金屬材料基的磁傳感器和非磁性半導(dǎo)體基的磁傳感器.前者以巨磁阻（GMR）［3］器件和磁性隧道結(jié)（TMR）［4］為代表，主要應(yīng)用于低磁場感應(yīng)；后者則以高遷移率的碲化銦（InSb）［5］材料為代表，主要應(yīng)用于中高磁場感應(yīng).硅作為主流半導(dǎo)體材料，已經(jīng)廣泛地滲透到當(dāng)今微電子、光電等領(lǐng)域.硅擁有非常完整的半導(dǎo)體器件制備工藝，然而，因?yàn)楣杓炔皇氰F磁性材料，遷移率又低，它現(xiàn)在依舊被排除在磁傳感器等傳統(tǒng)磁性材料統(tǒng)治的領(lǐng)域之外.科學(xué)家們最新的研究成果為硅材料進(jìn)軍磁傳感器等領(lǐng)域劃出了一道曙光.Jonker［6-7］、Jansen等［8］通過鐵磁性金屬／絕緣層／硅的結(jié)構(gòu)成功將自旋極化電流注入至硅中，并在非平衡的凈自旋湮滅之前利 用 它 實(shí) 現(xiàn) 了 光 電 調(diào) 制.Schoonus［9-10］、Delmo等［11］則通過雜質(zhì)波函數(shù)收縮或空間電荷效應(yīng)，在硅中實(shí)現(xiàn)了大的磁電阻效應(yīng)，并將溫度推向了室溫，這是在硅中實(shí)現(xiàn)磁阻效應(yīng)中具有里程碑意義的成果，但是他們設(shè)計的器件開啟電壓還很大，相應(yīng)的磁場靈敏度還不高，這使得其作為位置檢測的磁傳感器及用來做磁記錄相關(guān)工作的可能被排除在外.隨之在該領(lǐng)域掀起了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體基磁傳感器的低場靈敏度以及降低其功耗的研究熱潮.

與清華大學(xué)Zhang［12］課題組合作在該領(lǐng)域也做了大量的研究.在室溫下通過改變硅材料的幾何形狀特性，于2011年也成功實(shí)現(xiàn)了室溫硅基磁電阻效應(yīng)，與上述研究不同的是，相應(yīng)的開啟電壓大大降低，磁場靈敏度也相應(yīng)提高，這使得基于硅基的磁傳感器成為可能，并提出了動態(tài)p-n結(jié)邊界模型對磁阻的放大機(jī)理［12］.2012年，蘭州大學(xué)的 Yang等［13］在實(shí)驗(yàn)上成功做出了微觀尺度的p-n結(jié)邊界硅基磁阻器件.2013年，Wang等［14］基于硅基非磁性材料室溫磁阻性能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，通過在砷化鎵器件中植入二極管，成功獲得了室溫巨磁阻性能，在室溫和0.06T時，實(shí)現(xiàn)了44%的磁阻效應(yīng)，并提出了二極管放大砷化鎵基磁電阻的相關(guān)理論.同時，Zhang等［15］也進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)，基于硅基的磁阻放大與二極管有顯著關(guān)聯(lián)，二極管輔助硅，能有效實(shí)現(xiàn)磁阻的放大.

由于硅很容易跟空氣中的氧氣化合，所以單晶硅的表面常常會覆蓋著一層薄薄的二氧化硅，這層薄的二氧化硅一旦在硅表面上形成，將有效隔絕硅與空氣的接觸，因而使得硅在空氣中能穩(wěn)定存在，這層薄的SiO2的厚度一般介于1.5～2nm之間.弄清二氧化硅層在二極管輔助硅基磁電阻效應(yīng)上的作用，將對探索硅基磁阻元器件的應(yīng)用，意義重大，目前，尚未有相關(guān)的文獻(xiàn)討論.本文將就SiO2層對硅基磁阻器件性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與理論的探索.

1 材料和實(shí)驗(yàn)

本文選用n型硅晶片（晶格方向?yàn)?00）作為基底材料，硅的電子遷移率μ約為1200cm2／（V·s），電阻率大于3×103Ω·cm，載流子濃度大約為1.7×1012cm-3.硅晶片單面拋光，厚度為500μm.晶片被切割成矩形.分別制備了一類用10%HF進(jìn)行腐蝕對SiO2進(jìn)行去除（定義為a類樣品），一類天然SiO2不去掉（定義為b類樣品）的兩類硅基底材料.對于a類樣品，在電極制作之前，先后依次在丙酮、酒精、10%HF（未用超聲）、去離子水中超聲清洗3次，每次10 min，以去除硅片表面的有機(jī)物等雜質(zhì).對于b類樣品，準(zhǔn)備工藝除了不用10%HF腐蝕之外，其它與a一樣.清洗結(jié)束后，立即制作電極以免裸露的新鮮硅被重新氧化.4個相同的純銦（99.99%）電極被以冷壓法制作在硅基底拋光面的4個角上.樣品的一邊長度用LS來表示，另一邊長度用WS來表示.電極之間的距離相應(yīng)地用L和W 來表示.Keithley2400（數(shù)字源表）作為恒流源與電流表被連接在順著L方向的兩個電極上，Keithley2182（納伏表）作為電壓表被連接在另外兩個電極上.一個穩(wěn)壓二極管（正向?qū)妷簽?.7V）被連接在順著W 方向的兩個電極上，相應(yīng)示意圖如圖1所示.在室溫下，磁場（H）垂直于樣品表面方向.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 結(jié)果與討論

2.1 磁阻效應(yīng)分析

磁阻大小可以由定義式 MR≡［R（H）-R（0）］／R（0）×100%來表示，其中R（H）和R（0）分別為有磁場（H）和無磁場下的電阻.同時也可以進(jìn)一步表示為［14］

這里V（H）和V（0）分別為磁場H和無磁場下的測試電壓.分別對有無SiO2層的樣品進(jìn)行了測試研究.圖2（a）、（b）依次是被氫氟酸處理后的樣品和含有自然氧化層的樣品在磁場作用下被測量出的I-V曲線以及計算出的I-MR%曲線.發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場為1.2 T時，在兩種情況下，均顯現(xiàn)出明顯的正的MR效應(yīng)，并且隨著電流的變化而變化.當(dāng)電流處于0.25mA左右時，MR有一個峰值.這與二極管輔助砷化鎵基MR效應(yīng)相類似［14］，不同的是，砷化鎵基器件性能穩(wěn)定，不存在類似SiO2的氧化層，所以基底與電極之間的界面效應(yīng)影響不存在.在1.2T下，含有SiO2層樣品的MR要比沒有SiO2層的顯著增加，MR值的增加達(dá)76%.

圖2 氧化硅層對器件磁阻性能影響，（a），（b）分別為無SiO2層和有SiO2層時的樣品的I-V曲線（空心）及相應(yīng)的I-MR%曲線（實(shí)心）

本文推測，SiO2層本身具有較高介電常數(shù)，SiO2層的存在同時也可能增加In與Si之間的電阻（包含In與Si的接觸電阻和SiO2本身電阻），從而增加了In與Si之間電阻上的分壓，導(dǎo)致了含有SiO2層的樣品具有更大的MR.為了驗(yàn)證猜想，對兩種樣品在無外加磁場作用下的I-V特性分別進(jìn)行了研究，如圖3所示.從圖3可以看出，含有SiO2層樣品的電阻明顯高于沒有SiO2層的，并且含有SiO2層后，二極管的開啟電流也要小很多.由此可以證明，SiO2層的存在確實(shí)增加了In與Si之間的電阻.

圖3 含有SiO2層樣品和無SiO2層樣品在無外加磁場作用下的I-V曲線

2.2 等效電路的推導(dǎo)與證明

為了證明增加In與Si之間的電阻可以提高器件的磁阻，從理論上進(jìn)行了推導(dǎo).圖4所示的電路圖為圖1的等效電路圖［16］.

圖4 被測量樣品的等效電路圖

圖4中r是In與Si之間的電阻，這里假定4個電極與硅之間具有相同的接觸電阻.RW為沿著W 方向兩電極間硅的電阻，RL是沿著L方向兩電極間硅的電阻，RD是二極管的電阻，UV是電壓表的讀數(shù).其中，只有RL與RW具有本征的磁電阻特性.

假定所使用的二極管是理想的穩(wěn)壓二極管，所以它的伏安特性滿足以下條件，即當(dāng)UD＜UC時（UD是穩(wěn)壓二極管上的分壓，UC是穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓），二極管處于斷路狀態(tài)，即RD→∞.當(dāng)UD＝UC時，二極管幾乎處于短路狀態(tài)，即RD→0.在這一假設(shè)下，可得出等效電路的輸入輸出特性如下（此處以恒流源的電流值I為輸入，以電壓表的讀數(shù)UV為輸出）.

當(dāng)I＜IC時，（IC為二極管剛好開啟時的電流）

從式（2）和（3）可以看出，I-V 輸入輸出特性會顯示出分段特征，這與測量得到的I-V曲線相一致，如圖2所示.當(dāng)I＜IC時，二極管斷路，電壓表測量的電壓與r無關(guān)，如公式（2）所示；而I≥IC時，二極管短路，電壓表測量的電壓UV2隨r單調(diào)遞增，如公式（3）所示.

磁場可以通過改變硅電阻的大小來改變二極管RD上的分壓進(jìn)而控制二極管的導(dǎo)通.當(dāng)外加電流I＝IC的時候，磁電阻（或者電壓表探測到的電壓變化）最大［14］，此時

因?yàn)閁V2隨r單調(diào)遞增，所以MRmax隨r單調(diào)遞增.由此，可以看出增加r，即引入界面氧化硅層，將有利于磁電阻的提高.

3 結(jié) 論

本文研究了二極管輔助的硅基磁阻效應(yīng)中二氧化硅層的磁阻放大作用.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯現(xiàn)出在電極與硅之間引入二氧化硅層后器件的磁阻在室溫和1.2T磁場下達(dá)到了527%，相比于無二氧化硅層的器件提升76%以上.通過對兩種樣品在無外加磁場作用下的I-V特性測量與理論分析，證實(shí)引入SiO2層后，顯著增加了In與Si之間的電阻，從而提高了器件的磁阻性能.

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