专利名称：具有室温磁电阻效应的Ti<sub>0.57</sub>Cr<sub>0.43</sub>N/p-Si异质结构及制备方法
技术领域：
本发明专利涉及一种具有室温磁电阻效应的Tia57Cra43NziP-Si异质结构及制备方法。更具体地，是一种具有较高室温磁电阻效应的异质结构的制备方法。
背景技术：
近年来，由于在磁信息存储和读取方面具有巨大的应用前景，自旋电子学材料备受关注。2007年的诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert Fert和Peter Grunberg两位教授。现在，如何在室温下获取高磁电阻效应仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。获得高磁电阻效应自旋注入的办法主要有选择高自旋极化率的电极材料与其它材料复合，特别是与半导体材料复合在一起，尤其是Si半导体。要想将自旋电子学器件应用在实际产品中，需要与现有的Si半导体技术结合起来。但是目前的磁性薄膜材料与Si基形成的异质结构中的磁电阻效应都不高，特别是室温磁电阻效应，主要是由于磁性薄膜与Si的电阻率不匹配造成的。面心立方结构的氮化钛薄膜具有优异的机械、热、电和防腐性能，由于硬度高、摩擦系数低，被广泛用作模具、刀具等的耐磨改性层；由于抗磨损、防腐性能好、熔点高、高温稳定性好，被广泛用于飞行器和火箭等航空航天零部件；由于导电、导热性能好，在微电子领域中常用作阻挡层，与半导体Si材料具有很好的兼容性。因此，如果将磁性元素掺杂到氮化钛体系中，再将其与半导体Si材料进行复合，将会产生自旋注入，从而获得磁电阻效应，在自旋电子学器件上具有广泛的应用前景。目前，国际上还没有设计并制备铁磁性金属掺杂氮化钛薄膜与半导体单晶Si形成的异质结构。另外，实际应用中多以薄膜材料为主，制备方法多采用溅射法。本发明通过大量的实验研究，采用磁控溅射法制备了该异质结构，并在室温下获得了大的磁电阻效应。
发明内容
从工业化生产的角度来讲，需要使用溅射法来制备样品；从实际应用上需要制备的样品与半导体结合并具有较高的室温磁电阻效应。本发明即从以上两个目的出发，开发了反应磁控溅射法制备多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构，并且观察到大的室温磁电阻效应， 在O. 004mA的电流和2000e(奥斯特)磁场下，磁电阻高达200%。本发明通过大量的实验研究，将Cr掺入氮化钛中，并与导体Si形成异质结构，包括改变实验过程中的基底温度和改变样品中的Cr的含量。最后，发现只有在550°C下制备 Tia57Cra43N时，该异质结构具有大的室温磁电阻效应。本发明在制备多晶Tia57Cra43N/p-Si异质结构时，Tia57Cra43N层为多晶结构，并且为柱状生长；与单晶Si之间的界面没有发生扩散现象，形成异质结构；在电流迁都为
O.04mA时和200奥斯特磁场下，磁电阻达200%。所采用的半导体Si为表面刨光的P型Si (100)单晶，电阻率约为5 Ω cm，厚度为
3O.4mm。本发明的具体制备方法是经过如下步骤实现的I)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为抛光的P型Si (100)单晶片，在对向摆放的靶头上安装一对纯度为 99. 99%的Ti靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm ； 为了掺入Cr，在Ti靶的表面均匀放置Cr片，Cr片的面积为6mm2，Cr片的数量为160片；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm ；2)将P型Si(IOO)单晶片材料采用金刚石刀划开,面积为O. 5cmX0. 8cm ;3)通过超声波的方式将表面杂质清除后，将划好的P型Si (100)单晶片安装在对向靶连线的中垂线处的基片架上；4)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于IXlO-5Pa ；5)向真空室通入纯度为99. 999%的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在IPa，其中Ar气的流量为60sccm, N2气的流量为60sccm ；6)将基片架上的P型Si (100)单晶片温度以10°C /秒的速度升至550°C ；7)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加O. 2A的电流和1050V的直流电压，预溅射 15分钟，等溅射电流和电压稳定；8)打开基片架上的档板开始溅射，P型Si (100)单晶片位置固定；9)薄膜沉积时间为15分钟；10)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar 和N2,完全打开闸板阀，继续抽真空，并且将P型Si (100)单晶片温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统；向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出多晶 Ti0.57Cr0.43N/p-Si 异质结构。本发明所涉及的多晶Tia 57Cr0.43N/p-Si异质结构在自旋电子学器件上具有应用价值，例如可以作为磁场控制的开关，磁场敏感器等，并且本发明采用反应溅射法是工业上生产薄膜材料的方法、靶材选择简单和靶材使用率较高等优点。为确认本发明最佳的实施方案，我们对本发明所制备的异质结构进行了透射电子显微镜和电输运特性的测量。图I给出了本发明中制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构的透射电子显微镜图像。图2给出了本发明中制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构在室温下的通过界面的电流强度随电压的变化关系，分别为外加磁场为O和2000e的情况。图3给出了本发明制备的多晶Tia57Cra43N/p-Si异质结构在室温下和2000e磁场下的磁电阻随电流的变化关系。与其它方法制备的磁性异质结构的方法相比，本发明所制备的多晶Tiο. 57Cr0.43N/ P-Si异质结构具有室温大磁电阻效应，所采用的方法简单实用，有利于在工业生产上的推广。具体如下I)国际上还没有关于该异质结构的设计和制备的报道，尤其是我们制备的多晶 Ti0.57Cr0.43N/p-Si异质结构具有200%的磁电阻效应；
2)由于目前工业化生产所采用的主要方法是溅射法，本发明所采用的反应溅射法，与 K. Inumaru 等人在 APPLIED PHYSICS LETTERS 91,152501 (2007)上报道的脉冲激光沉积和化学方法相比，在工业化生产上具有明显优势。
图I本发明中制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构的透射电子显微镜图像。图2本发明中制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构在室温下的通过界面的电流强度随电压的变化关系图。图3本发明制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构在室温下和2000e磁场下的磁电阻随电流的变化关系图。
具体实施例方式根据我们对本发明中所制备的样品进行的结构和性质分析结果，下面将对向靶反应溅射方法制备多晶Tia57Cra43N/p-Si异质结构的最佳实施方式进行详细地说明I)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为抛光的P型Si (100)单晶片，在对向摆放的靶头上安装一对纯度为 99. 99%的Ti靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm ； 为了掺入Cr，在Ti靶的表面均匀放置Cr片，Cr片的面积为6mm2，Cr片的数量为160片；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm ；2)将P型Si (100)单晶片材料采用金刚石刀划开，面积为O. 5cmX0. 8cm ；3)通过超声波的方式将表面杂质清除后，将划好的P型Si (100)单晶片安装在对向靶连线的中垂线处的基片架上；4)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于IX IO-5Pa ；5)向真空室通入纯度为99. 999%的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在IPa，其中Ar气的流量为60sccm, N2气的流量为60sccm ；6)将基片架上的P型Si (100)单晶片温度以10°C /秒的速度升至550°C ；7)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加O. 2A的电流和1050V的直流电压，预溅射 15分钟，等溅射电流和电压稳定；8)打开基片架上的档板开始溅射，P型Si (100)单晶片位置固定；9)薄膜沉积时间为15分钟；10)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar 和N2,完全打开闸板阀，继续抽真空，并且将P型Si (100)单晶片温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统。向真空室充入纯度为99. 999%的氮气，打开真空室，取出多晶 Ti0.57Cr0.43N/p-Si 异质结构。制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构的透射电子显微镜图像如图I所示，从图中可以看出，Tia57Cra43N层为多晶结构，并且为柱状生长。与单晶Si之间的界面很锐利，形成很好的异质结构。制备的多晶Tia57Cra43NziP-Si异质结构在室温下的通过界面的电流强度随电压的变化关系如图2所示，分别为外加磁场为O和2000e的情况。从图中可以看出，样品的电流强度随电压的变化关系为非线性的，说明主要贡献来自于界面处。当外加磁场为2000e时， 电流随电压变化关系曲线明显偏离了不加磁场时的曲线，说明该异质结构具有大的磁电阻效应。制备的多晶Titl 57Cra43NziP-Si异质结构在室温下和2000e磁场下的磁电阻随电流的变化关系如图3所示。从图中可以看出，随着电流强度增大，磁电阻降低。在电流迁都为
O.04mA时，磁电阻高达200%。
权利要求
1.一种具有室温磁电阻效应的Tia57Cra43NziP-Si异质结构，其特征是Tia57Cra43N层为多晶结构，并且为柱状生长；与单晶Si之间的界面没有发生扩散现象，形成异质结构；在电流迁都为O. 04mA时和200奥斯特磁场下，磁电阻达200%。
2.权利要求的具有室温磁电阻效应的Tia57Cra43NZp-Si制备方法，其特征是方法如下1)采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，基底材料为抛光的P型Si(IOO)单晶片，在对向摆放的靶头上安装一对纯度为 99. 99%的Ti靶，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；Ti靶材厚度为4mm，直径为60mm ； 为了掺入Cr，在Ti靶的表面均匀放置Cr片，Cr片的面积为6mm2，Cr片的数量为160片；两个靶之间的距离为80mm，靶的轴线与放有MgO基底材料的样品架之间的距离为80mm ；2)将P型Si(100)单晶片材料采用金刚石刀划开，面积为O. 5cmX0. 8cm ；3)通过超声波的方式将表面杂质清除后，将划好的P型Si(100)单晶片安装在对向靶连线的中垂线处的基片架上；4)开启DPS-III超高真空对向靶磁控溅射镀膜机，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于I X KT5Pa ；5)向真空室通入纯度为99.999%的Ar和N2的混合气体，将真空度保持在IPa，其中Ar 气的流量为60sccm, N2气的流量为60sccm ；6)将基片架上的P型Si(100)单晶片温度以10°C /秒的速度升至550°C ；7)开启溅射电源，在一对Ti靶上施加O.2A的电流和1050V的直流电压，预溅射15分钟，等溅射电流和电压稳定；8)打开基片架上的档板开始溅射，P型Si(100)单晶片位置固定；9)薄膜沉积时间为15分钟；10)溅射结束后，关闭基片架上的档板，然后关闭溅射电源，停止通入溅射气体Ar和 N2，完全打开闸板阀，继续抽真空，并且将P型Si(IOO)单晶片温度以5°C /min的降温速率降至室温，然后关闭真空系统；向真空室充入纯度为99. 999 %的氮气，打开真空室，取出多晶 Ti0.57Cr0.43N/p-Si 异质结构。
全文摘要
本发明涉及一种具有室温磁电阻效应的Ti0.57Cr0.43N/p-Si异质结构及制备方法。本发明通过大量的实验研究，将Cr掺入氮化钛中，并与导体Si形成异质结构，包括改变实验过程中的基底温度和改变样品中的Cr的含量。该异质结构具有大的室温磁电阻效应。本发明在制备多晶Ti0.57Cr0.43N/p-Si异质结构时，Ti0.57Cr0.43N层为多晶结构，并且为柱状生长；与单晶Si之间的界面没有发生扩散现象，形成异质结构；在电流迁都为0.04mA时和200奥斯特磁场下，磁电阻达200％。本发明所涉及的多晶Ti0.57Cr0.43N/p-Si异质结构在自旋电子学器件上具有应用价值，例如可以作为磁场控制的开关，磁场敏感器等，并且本发明采用反应溅射法是工业上生产薄膜材料的方法、靶材选择简单和靶材使用率较高等优点。
文档编号C23C14/34GK102586733SQ20121004603
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者段秀峰, 白海力, 米文博 申请人:天津大学