基于非磁性半導(dǎo)體Ge的Al-Ge肖特基結(jié)中的整流磁電阻效應(yīng)的研究.pdf

1、磁電阻效應(yīng)即材料在外磁場作用下，電阻隨磁場發(fā)生變化的一種現(xiàn)象，由William Thomson在1851年首次發(fā)現(xiàn)，隨后在1857年，他在研究金屬鐵和鎳的磁電阻效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)了各向異性磁電阻效應(yīng)，即材料電阻大小與外加磁場和電流的方向有關(guān)。磁電阻效應(yīng)在理論研究與實(shí)際應(yīng)用上具有重大價值，受到了廣泛的關(guān)注與研究。
　　到目前為止，廣泛研究的磁電阻材料主要包括兩類:磁性材料和非磁性材料。磁電阻的研究在磁性材料方面已經(jīng)取得了顯著的成果，例如在磁

2、性多層膜和顆粒膜體系中發(fā)現(xiàn)了基于自旋極化散射和自旋極化隧穿機(jī)制的巨磁電阻效應(yīng)(GMR)和隧道磁電阻效應(yīng)(TMR)，在摻雜的鈣鈦礦錳氧化物體系中發(fā)現(xiàn)了因?yàn)楦邷仨槾沤^緣態(tài)向低溫鐵磁金屬態(tài)轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致的龐磁電阻效應(yīng)(CMR)。這些磁電阻效應(yīng)均是電阻隨著外磁場增加而減小的負(fù)磁電阻效應(yīng)。相反，1997年Xu等人在非磁性的窄帶系半導(dǎo)體Ag2Se和Ag2Te中發(fā)現(xiàn)了巨大的正磁電阻效應(yīng)，電阻隨著外磁場的增加成近乎線性的關(guān)系增大，稱之為異常磁電阻效應(yīng)(EM

3、R)。自此，對非磁性半導(dǎo)體中磁電阻的研究逐漸受到更多人的關(guān)注，多種異常磁電阻的產(chǎn)生機(jī)制也被人們發(fā)現(xiàn)，主要包括材料內(nèi)稟非均勻性、材料能帶結(jié)構(gòu)的變化及幾何效應(yīng)等。
　　由于非磁性材料沒有巴克豪森效應(yīng)，與GRM、TMR等相比，EMR具有高穩(wěn)定性、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此異常磁電阻效應(yīng)有望使未來的磁電阻器件在尺寸方面取得重大突破。
　　在論文中，我們在Al/Ge/Al異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)了一種新型的磁電阻效應(yīng)—整流磁電阻(RMR)。整流磁

4、電阻起源于異質(zhì)結(jié)同時具備正常的磁電阻效應(yīng)和整流效應(yīng)兩個性質(zhì)。磁電阻效應(yīng)和整流效應(yīng)是兩個基本物理學(xué)性質(zhì)，在我們提出整流磁電阻之前，人們對其研究都是相互獨(dú)立、互不相關(guān)的，這嚴(yán)重的影響了我們對靜電反應(yīng)和自旋動力學(xué)之間相互作用的理解和探究，限制了自旋電子器件的進(jìn)一步發(fā)展。而整流磁電阻的發(fā)現(xiàn)打破了這種情況，有可能進(jìn)一步促進(jìn)自旋電子技術(shù)的發(fā)展。
　　我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要包括一下幾部分
　　(1)整流磁電阻的發(fā)現(xiàn):我們通過光刻、電子束蒸發(fā)、退

5、火等工藝制備了圓形的肖特基異質(zhì)結(jié)（或二極管），然后通過Keithley6221電流源表給樣品施加一個純正弦交流電流，測量樣品的整流電壓隨外磁場的變化情況。發(fā)現(xiàn)，此整流電壓隨著外磁場的增大而增大，在室溫下獲得了高達(dá)250％的磁電阻。作為對比，我們也測量了樣品施加直流電流時的磁電阻，得到70％左右的直流磁電阻。系統(tǒng)研究還發(fā)現(xiàn)，整流磁電阻效應(yīng)源自磁電阻效應(yīng)和整流效應(yīng)同時的作用。整流磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為磁電阻效應(yīng)的研究提供了一個新方向。
　

6、　(2)基于Ge的肖特基器件中的電調(diào)控的整流磁電阻效應(yīng):我們在單拋Ge<100>襯底（電阻率為55.6-59.4Ω·cm）上制備了長條型的Al/Ge/Al肖特基異質(zhì)結(jié)，樣品大小約為5mm×2mm。其中一個電極為歐姆接觸，另一個為肖特基接觸。我們通過Keithley6221電流源表給樣品同時施加一個交流電流和一個直流電流，改變直流電流的大小或方向，發(fā)現(xiàn)其RMR的大小和極性均可發(fā)生很大的變化。室溫、6T的磁場下，當(dāng)AC current=0.