基于雪崩电离的磁阻效应及其机理研究

The non-magnetic material based magnetoresistance (MR) devices attracts a lot of attention because of its great research significance and a potential application in magnetic sensor, high density storage etc. Among them, the MR effect based on avalanche ionization has advantages such as high sensitivity, simplicity, and integration ability. However, it also has shortcoming because of its unclear mechanism, high working voltage and poor stability. In order to solve these scientific problems, the project study the mechanism of avalanche ionization and the MR effect based on it, in order to find a way to decrease the working voltage and increase the stability. Combined the experiments with the finite element numerical simulation method, we studies the electrical transportation and magnetoresistance effect of Si- and GaAs- based Metal / Semiconductor / Metal（MSM） and Metal / insulator / Semiconductor/ insulator / Metal（MISIM）devices. By establishing the physical model and mathematical model of electric field, magnetic field, and the current field of the devices, we simulate the MR effect and its variation mechanism by the finite element numerical simulation method. The effects of devices' configuration, the interface properties, and carrier density etc., were studied on the process of avalanche ionization and its controllability, repeatability, as well as the influence of magnetic field in the process. Then based on these, we fabricate Si-, GaAs- based devices with high MR ratio, low working voltage and high stability.

基于非磁性材料的磁阻效应（MR）器件一直以来受到了科研工作者的广泛关注，具有重大的研究意义和价值，在磁性传感器、高密度存储等方面有着潜在应用前景。其中基于雪崩电离的磁阻效应具有磁阻巨大、结构简单、易于集成等优点，但是也存在着磁阻机制不明、工作电压大、稳定性差的问题。 着眼于上述科学问题， 本项目开展基于雪崩电离及磁阻效应的机制问题的研究，探索降低工作电压、提高稳定性的方法。通过实验结合有限元数值模拟方法研究Si基、GaAs基金属/半导体/金属(MSM)或者MISIM器件的电输运以及磁阻特性。通过建立雪崩电离及磁阻效应的物理模型和电场、磁场、电流的数学模型，利用有限元等数值方法模拟磁阻效应及其变化规律。通过器件结构、界面、载流子浓度等调控手段，研究雪崩电离过程以及该过程中的可控性、重复性问题。研究磁场对雪崩电离过程的影响机制。在此基础上，制备得到高磁阻、低工作电压、高稳定性的磁阻器件。

寻求兼具高性能、低成本等优点的磁阻（MR）器件一直以来是人们关注的重点问题。目前，基于非磁性半导体的磁阻器件（如Si、Ge、GaAs以及Ag2S基等器件等）中都呈现出了巨大的磁阻效应，在磁性传感器、高密度存储等方面有着潜在应用前景。其中基于雪崩电离的磁阻效应具有磁阻巨大、结构简单、易于集成等优点而具有更大的研究价值和意义。本项目基于雪崩电离的磁阻效应及其机理研究，主要取得了如下几方面重要结果：1）利用Ag/SiO2/p-Si:B/SiO2/Ag结构器件，在低温下发现了明显的热滞现象，并通过采用延长连续两次测量的间隔时间的方法，较好地消除这种热滞现象对该器件电输运性能和磁阻效应可能带来的影响。2）发明了一种探测雪崩效应的原位装置，该装置具有准确探测雪崩效应放电具体过程并能检测肖特基结质量优点的，可用于探测多种雪崩效应器件；并且发现了雪崩现象十分明显的区域对应的磁阻数值都明显要高于周边电流范围的磁阻数值，说明了基于雪崩电离的磁阻效应的确具有十分优异的磁阻性能。3）通过对比研究不同载流子浓度的样品器件，发现了载流子浓度越低，GaAs基和Ge基半导体器件的磁阻效应更强，获得了非磁性GaAs基半导体器件室温低磁场条件下的高磁阻敏感度，在0.001 T时，磁阻敏感度可高达约15 T-1。4）采用两线法和四线法相结合的方式，成功将Ag/SiO2/p-Si肖特基异质结器件的体磁阻效应从总磁阻效应中分离出来，并证明了总磁阻效应主要来源于界面磁阻效应。5）研究了Ag/SiO2/p-Si肖特基异质结器件中电极间距和磁场对雪崩电离时工作电压和相应磁阻的影响，发现减小电极间距可以降低雪崩电离时的工作电压，增强基于雪崩电离的磁阻效应，6）研究了In/SiO2/p-Si肖特基异质结器件的负微分电阻效应和非饱和磁阻效应，发现了从低温升高至25 K时，依然能观察到负微分电阻效应，发现负微分电阻效应和非饱和磁阻效应来源于雪崩电离效应。7）在In/p-Ge:Ga/In锗基半导体器件中，研究了霍耳效应对电输运及磁阻效应的影响，并且在室温获得了高达91%@1T的磁阻效应。