界面二氧化硅层对二极管辅助硅基磁电阻效应影响的研究

刘 源 谭新玉 朴红光

（1.三峡大学 理学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 新能源研究院，湖北 宜昌 443002）

磁致电阻，简称磁电阻或者磁阻（magnetoresistance，MR），是表征材料电阻在磁场下的变化率的物理量.MR效应几乎是整个磁传感工业的核心，在汽车、航空航天、电子罗盘、计算机、装备制造业等诸多领域有着广泛的应用［1］.1988年Albert Fert教授和Peter Grünberg教授在磁性材料里面发现了巨磁电阻（GMR）现象，导致了磁存储工业的迅猛发展，并于2007年度获得了诺贝尔物理学奖［2］.

传统的磁传感器可以分为两大类：磁性金属材料基的磁传感器和非磁性半导体基的磁传感器.前者以巨磁阻（GMR）［3］器件和磁性隧道结（TMR）［4］为代表，主要应用于低磁场感应；后者则以高迁移率的碲化铟（InSb）［5］材料为代表，主要应用于中高磁场感应.硅作为主流半导体材料，已经广泛地渗透到当今微电子、光电等领域.硅拥有非常完整的半导体器件制备工艺，然而，因为硅既不是铁磁性材料，迁移率又低，它现在依旧被排除在磁传感器等传统磁性材料统治的领域之外.科学家们最新的研究成果为硅材料进军磁传感器等领域划出了一道曙光.Jonker［6-7］、Jansen等［8］通过铁磁性金属／绝缘层／硅的结构成功将自旋极化电流注入至硅中，并在非平衡的净自旋湮灭之前利 用 它 实 现 了 光 电 调 制.Schoonus［9-10］、Delmo等［11］则通过杂质波函数收缩或空间电荷效应，在硅中实现了大的磁电阻效应，并将温度推向了室温，这是在硅中实现磁阻效应中具有里程碑意义的成果，但是他们设计的器件开启电压还很大，相应的磁场灵敏度还不高，这使得其作为位置检测的磁传感器及用来做磁记录相关工作的可能被排除在外.随之在该领域掀起了进一步提高半导体基磁传感器的低场灵敏度以及降低其功耗的研究热潮.

与清华大学Zhang［12］课题组合作在该领域也做了大量的研究.在室温下通过改变硅材料的几何形状特性，于2011年也成功实现了室温硅基磁电阻效应，与上述研究不同的是，相应的开启电压大大降低，磁场灵敏度也相应提高，这使得基于硅基的磁传感器成为可能，并提出了动态p-n结边界模型对磁阻的放大机理［12］.2012年，兰州大学的 Yang等［13］在实验上成功做出了微观尺度的p-n结边界硅基磁阻器件.2013年，Wang等［14］基于硅基非磁性材料室温磁阻性能实现的结果，通过在砷化镓器件中植入二极管，成功获得了室温巨磁阻性能，在室温和0.06T时，实现了44%的磁阻效应，并提出了二极管放大砷化镓基磁电阻的相关理论.同时，Zhang等［15］也进一步地发现，基于硅基的磁阻放大与二极管有显著关联，二极管辅助硅，能有效实现磁阻的放大.

由于硅很容易跟空气中的氧气化合，所以单晶硅的表面常常会覆盖着一层薄薄的二氧化硅，这层薄的二氧化硅一旦在硅表面上形成，将有效隔绝硅与空气的接触，因而使得硅在空气中能稳定存在，这层薄的SiO2的厚度一般介于1.5～2nm之间.弄清二氧化硅层在二极管辅助硅基磁电阻效应上的作用，将对探索硅基磁阻元器件的应用，意义重大，目前，尚未有相关的文献讨论.本文将就SiO2层对硅基磁阻器件性能的影响进行实验与理论的探索.

1 材料和实验

本文选用n型硅晶片（晶格方向为100）作为基底材料，硅的电子迁移率μ约为1200cm2／（V·s），电阻率大于3×103Ω·cm，载流子浓度大约为1.7×1012cm-3.硅晶片单面抛光，厚度为500μm.晶片被切割成矩形.分别制备了一类用10%HF进行腐蚀对SiO2进行去除（定义为a类样品），一类天然SiO2不去掉（定义为b类样品）的两类硅基底材料.对于a类样品，在电极制作之前，先后依次在丙酮、酒精、10%HF（未用超声）、去离子水中超声清洗3次，每次10 min，以去除硅片表面的有机物等杂质.对于b类样品，准备工艺除了不用10%HF腐蚀之外，其它与a一样.清洗结束后，立即制作电极以免裸露的新鲜硅被重新氧化.4个相同的纯铟（99.99%）电极被以冷压法制作在硅基底抛光面的4个角上.样品的一边长度用LS来表示，另一边长度用WS来表示.电极之间的距离相应地用L和W 来表示.Keithley2400（数字源表）作为恒流源与电流表被连接在顺着L方向的两个电极上，Keithley2182（纳伏表）作为电压表被连接在另外两个电极上.一个稳压二极管（正向导通电压为0.7V）被连接在顺着W 方向的两个电极上，相应示意图如图1所示.在室温下，磁场（H）垂直于样品表面方向.

图1 实验原理图

2 结果与讨论

2.1 磁阻效应分析

磁阻大小可以由定义式 MR≡［R（H）-R（0）］／R（0）×100%来表示，其中R（H）和R（0）分别为有磁场（H）和无磁场下的电阻.同时也可以进一步表示为［14］

这里V（H）和V（0）分别为磁场H和无磁场下的测试电压.分别对有无SiO2层的样品进行了测试研究.图2（a）、（b）依次是被氢氟酸处理后的样品和含有自然氧化层的样品在磁场作用下被测量出的I-V曲线以及计算出的I-MR%曲线.发现，当磁场为1.2 T时，在两种情况下，均显现出明显的正的MR效应，并且随着电流的变化而变化.当电流处于0.25mA左右时，MR有一个峰值.这与二极管辅助砷化镓基MR效应相类似［14］，不同的是，砷化镓基器件性能稳定，不存在类似SiO2的氧化层，所以基底与电极之间的界面效应影响不存在.在1.2T下，含有SiO2层样品的MR要比没有SiO2层的显著增加，MR值的增加达76%.

图2 氧化硅层对器件磁阻性能影响，（a），（b）分别为无SiO2层和有SiO2层时的样品的I-V曲线（空心）及相应的I-MR%曲线（实心）

本文推测，SiO2层本身具有较高介电常数，SiO2层的存在同时也可能增加In与Si之间的电阻（包含In与Si的接触电阻和SiO2本身电阻），从而增加了In与Si之间电阻上的分压，导致了含有SiO2层的样品具有更大的MR.为了验证猜想，对两种样品在无外加磁场作用下的I-V特性分别进行了研究，如图3所示.从图3可以看出，含有SiO2层样品的电阻明显高于没有SiO2层的，并且含有SiO2层后，二极管的开启电流也要小很多.由此可以证明，SiO2层的存在确实增加了In与Si之间的电阻.

图3 含有SiO2层样品和无SiO2层样品在无外加磁场作用下的I-V曲线

2.2 等效电路的推导与证明

为了证明增加In与Si之间的电阻可以提高器件的磁阻，从理论上进行了推导.图4所示的电路图为图1的等效电路图［16］.

图4 被测量样品的等效电路图

图4中r是In与Si之间的电阻，这里假定4个电极与硅之间具有相同的接触电阻.RW为沿着W 方向两电极间硅的电阻，RL是沿着L方向两电极间硅的电阻，RD是二极管的电阻，UV是电压表的读数.其中，只有RL与RW具有本征的磁电阻特性.

假定所使用的二极管是理想的稳压二极管，所以它的伏安特性满足以下条件，即当UD＜UC时（UD是稳压二极管上的分压，UC是稳压二极管的稳定电压），二极管处于断路状态，即RD→∞.当UD＝UC时，二极管几乎处于短路状态，即RD→0.在这一假设下，可得出等效电路的输入输出特性如下（此处以恒流源的电流值I为输入，以电压表的读数UV为输出）.

当I＜IC时，（IC为二极管刚好开启时的电流）

从式（2）和（3）可以看出，I-V 输入输出特性会显示出分段特征，这与测量得到的I-V曲线相一致，如图2所示.当I＜IC时，二极管断路，电压表测量的电压与r无关，如公式（2）所示；而I≥IC时，二极管短路，电压表测量的电压UV2随r单调递增，如公式（3）所示.

磁场可以通过改变硅电阻的大小来改变二极管RD上的分压进而控制二极管的导通.当外加电流I＝IC的时候，磁电阻（或者电压表探测到的电压变化）最大［14］，此时

因为UV2随r单调递增，所以MRmax随r单调递增.由此，可以看出增加r，即引入界面氧化硅层，将有利于磁电阻的提高.

3 结 论

本文研究了二极管辅助的硅基磁阻效应中二氧化硅层的磁阻放大作用.实验结果显现出在电极与硅之间引入二氧化硅层后器件的磁阻在室温和1.2T磁场下达到了527%，相比于无二氧化硅层的器件提升76%以上.通过对两种样品在无外加磁场作用下的I-V特性测量与理论分析，证实引入SiO2层后，显著增加了In与Si之间的电阻，从而提高了器件的磁阻性能.

［1］蔡建旺.磁电子学器件应用原理［J］.物理学进展，2006，26（2）：180-227.

［2］都有为.2007年度诺贝尔物理奖简介［J］.物理与工程，2008，18（1）：1-3，5.

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