硅基室温巨磁电阻的研究

2009年日本科学家Delmo等人在Nature上报导了他们利用多子注入的方式，在世界上第一次实现了Si基室温巨磁电阻效应，引起了很大的反响。但是他们还无法解释该磁阻的机理， 且他们的磁阻器件离应用还差很远。我们采用不同的思路，往Si中注入非平衡少数载流子（少子），也成功地实现了更显著的Si基室温巨磁电阻效应。我们的Si基室温巨磁电阻效应比Delmo组的大许多，而且驱动电压和功率比他们使用的分别小1个和2个数量级， 我们的器件还具有很好的磁场灵敏度，这使得我们的Si基磁电阻器件具有更好的应用前景。本申请将采用理论结合实验的方法，研究如何优化Si基巨磁电阻器件的结构，搞清Si基室温巨磁电阻效应的机理，争取实现Si基室温低场巨磁阻效应，并争取做出有实用价值的Si基室温低场巨磁阻器件。本申请课题不仅具有重要的科学研究意义，还有很好的应用前景。

我们首先搞清楚了我们2011年在Nature报道的硅基磁电阻器件的机理，该器件利用半导体硅二极管的非线性性质结合体硅材料的霍尔效应导致了巨大的硅基磁电阻，在适当的电流下，二极管造成了一个低电阻态到高电阻态的转变，在该转变区，很小的磁场可以导致巨大的磁电阻，而且这个磁电阻可以由硅材料的尺寸来控制。该机理又被应用于另外两个重要的半导体材料锗和砷化镓， 我们分别在这两个材料中实现了巨大的磁电阻。随后，我们探索了硅基磁电阻器件在计算机领域的应用。我们在硅基磁电阻器件的基础上，发明了硅基磁逻辑器件，它可以在一个硬件上，通过软件的控制完成4种不同的磁逻辑功能，将该磁逻辑器和磁存储器做在一起，我们提出了一种不需要读出磁头的信息读出系统，该系统将大大加快计算机的速度。 . 我们又利用硅二极管的非线性性质结合磁存储材料的反常霍尔效应， 在垂直磁各向异性的磁存储材料中实现了高达22000%@1mT的磁电阻（这比目前已知的磁性材料的磁电阻高2个数量级）。并利用该磁电阻性质，在该磁性材料上实现了4种不同的磁逻辑，在世界上第一次实现了让磁材料既做磁存储又做磁逻辑。 我们在这个工作的基础上提出了存储逻辑一体化器件的概念，即用一个磁性材料既做磁存储又做磁逻辑，也就是制备一个磁存储器和中央处理器不分家的存储逻辑器件。 我们还在这个工作基础上，研究用电流将磁信息写人磁性材料，如果这个工作完成，我们就完成了一个磁存储磁运算电写入的新型计算机原型，有望形成一种新型的非-冯诺依曼计算机。. 我们目前的磁电阻器件和磁逻辑器件都是电压型器件，他们的小型化受到二极管开关电压的限制，不利于器件的小型化。为了解决这个问题，我们开发了电流型磁电阻器件和磁逻辑器件，这种器件的小型化不受二极管开关电压的限制，有利于器件的小型化。. 我们还利用制备新型电极和在硅上掺杂的办法，不用二极管在硅上实现了一种新型的硅磁电阻器件， 该器件更简单，尺寸更小。另外，我们还在锗上利用材料的电子-空穴复合率的不同，制备了锗基磁逻辑器件。总之，我们的工作表明，将半导体研究和磁学研究相结合，可以产生自旋电子学的新机制和新器件。具有巨大的研究潜力和应用前景。. 本项目发表了SCI论文31篇，做国际会议邀请报告8个，做国内会议邀请报告17个， 获得国际发明专利授权1个，中国发明专利授权2个， 申请中国发明专利5个。