二極管增強的ZnCoO器件中的巨大磁電阻效應(yīng)研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能、云存儲、大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)開始影響我們的生活。伴隨這些新興產(chǎn)業(yè)的崛起，集成電路器件的性能越來越成為決定新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度的關(guān)鍵因素。通過提高光刻精度，降低器件尺寸，集成電路器件的計算性能不斷提高，功耗不斷降低。然而隨著集成度不斷提高，器件的尺寸已經(jīng)接近其物理極限，摩爾定律即將失效。在后摩爾時代，由于自旋電子學(xué)的獨特技術(shù)優(yōu)勢，引起了大家的廣泛關(guān)注?；谧孕娮訉W(xué)的基本原理，科學(xué)家提出了自旋邏輯器件、磁場基邏輯

2、器件等新型邏輯器件，利用磁電阻效應(yīng)實現(xiàn)可重構(gòu)的邏輯運算功能。由此可見，自旋電子學(xué)在后摩爾時代有重要的應(yīng)用前景，將會為突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的物理極限，開發(fā)下一代計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)高運算性能、高集成度、低功耗的信息存儲和運算提供新的思路。
　　由于磁電阻效應(yīng)具有深厚的物理內(nèi)涵和在磁傳感器和磁存儲領(lǐng)域有巨大的實際應(yīng)用和商業(yè)價值，一直是自旋電子學(xué)的研究重點。美國科學(xué)界曾總結(jié)近一個世紀以來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域?qū)θ祟惪萍歼M步做出的貢獻中說到各向異性磁電

3、阻效應(yīng)(AMR)屬于重大基礎(chǔ)研究成果，巨磁電阻效應(yīng)則屬于重大應(yīng)用領(lǐng)域成果。由此可見磁電阻效應(yīng)的研究及應(yīng)用對人類科技進步做出了不可磨滅的貢獻。利用巨磁電阻效應(yīng)和隧穿磁電阻效應(yīng)，人類制造出了新的磁讀頭，相同體積下，大大提高了磁盤的信息存儲量。通常將材料的電阻值大小隨外磁場的變化而變化的現(xiàn)象稱之為磁電阻效應(yīng)。一般來說定義磁電阻為:MR=ρ(H)-ρ(0)/ρ(0)×100％，其中ρ(H)為材料在外磁場為H下的電阻率，ρ(0)為材料在外磁場為0

4、時的電阻率。磁電阻效應(yīng)可以在很多磁性和非磁材料中出現(xiàn)。根據(jù)產(chǎn)生的機制不同，可以將磁電阻效應(yīng)分為:正常磁電阻、各向異性磁電阻、巨磁電阻、龐磁阻、隧穿磁電阻、鐵磁半導(dǎo)體中磁電阻效應(yīng)、非磁半導(dǎo)體中異常磁電阻、自旋霍爾磁電阻、整流磁電阻等。
　　近期清華大學(xué)章曉中教授課題組成功利用二極管非線性傳輸特性和硅、鍺以及砷化鎵等半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)實現(xiàn)了巨大磁電阻效應(yīng)，該類磁電阻可稱之為二極管增強的磁電阻效應(yīng)。但是，由于是利用了材料的霍爾效應(yīng)，因

5、此在小磁場下磁電阻比值衰減特別明顯，低磁場靈敏度不高。作者進一步又利用Ta/CoFeB/MgO的反常霍爾效應(yīng)實現(xiàn)了大的磁電阻比值和高的低磁場靈敏度，但是由于磁性多層膜的電阻率較小，工作電流大約在10mA量級，功耗很大。基于以上考慮，提出了一種二極管增強的ZnCoO器件，在小工作電流情況下實現(xiàn)了高磁電阻比和高磁場靈敏度。此外，還建立了一個定量的理論模型，通過此模型可以很好的解釋實驗觀察到的結(jié)果，并對器件進行性能分析。
　　本論文的工

6、作主要包括以下幾方面內(nèi)容:
　　1.二極管增強的ZnCoO器件的巨大磁電阻效應(yīng)。耦合穩(wěn)壓二極管開關(guān)特性和ZnCoO非晶磁性半導(dǎo)體薄膜負磁阻效應(yīng)，制備了二極管增強的ZnCoO器件。該器件在6T下的磁電阻比值高達-6850％，0.04T下的磁電阻比值達到-875％，工作電流＜0.5mA。與此同時，ZnCoO薄膜的磁電阻比僅為-13％。結(jié)合理論模型分析了二極管增強的ZnCoO器件可以實現(xiàn)高磁電阻比的產(chǎn)生機制。在該器件中，二極管的通斷使得

7、器件呈現(xiàn)出高、低兩個阻態(tài)。磁場會改變ZnCoO磁性半導(dǎo)體薄膜的電阻率，進而影響薄膜上的電勢分布，最終影響高、低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)材料本征磁電阻的有效放大。
　　2.器件磁電阻效應(yīng)的影響因素研究。研究了二極管增強的ZnCoO器件的磁電阻比值和二極管輸運性質(zhì)之間的關(guān)系。變換不同穩(wěn)壓值的二極管，并測量器件性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)不同穩(wěn)壓值二極管I-V曲線的陡峭程度將會影響磁電阻比，表現(xiàn)為反向擊穿電壓越高二極管的I-V曲線陡峭程度越高，二極管增強

8、的ZnCoO器件的磁電阻比越大。
　　3.理論模型的建立和布爾邏輯功能的實現(xiàn)。建立了描述二極管增強的ZnCoO器件輸運性質(zhì)的理論模型，該模型考慮ZnCoO薄膜的電阻率和幾何結(jié)構(gòu)因子，并將二極管當作理想二極管處理。根據(jù)這個模型，可以仿真ZnCoO薄膜在二極管導(dǎo)通和關(guān)斷兩種情況下的電勢分布圖、伏安特性曲線（IV曲線）以及器件的磁電阻比值等，可以和實驗結(jié)果吻合。在二極管增強的ZnCoO器件的基礎(chǔ)上，我門引入了兩個小磁體，其中一個為控制位