半导体的几何增强磁电阻研究

Prof. Xiaozhong Zhang's group reported in Nature in September 2011 that they realised a geometrically enhanced low field magnetoresistance in Silicon at room temperature. The magnetoresistance ratio is close to the commercial giant magnetoresistance. This work is highly praised by the international and national research societies of magnetic materials and magnetism. The work has been elected as one of Top 10 progress in China science in 2011 and one of Top 10 science and technology progress of Chinese universities. This proposal is based on our preliminary research and will study in depth the influence of electrodes, inhomogeneities and p-n junctions on the magnetoresistance of silicon in order to understand the mechanism of magnetoresistance of silicon. We shall try to propose a general mechanism for the geometrically enhanced magnetoresistance. We shall study the minimisation of the magnetoresistance devices of silicon, and make the performance of the magnetoresistance device of silicon be equal to or even better than that of the commercial giant magnetoresistance device. We shall try to make a self-driven magnetoresistance device of silicon. Our preliminary results showed that the mechanism for the geometrically enhanced magnetoresistance can be applied to other semiconductors, and we shall study the magnetoresistance of other semiconductors, such as GaAs, Ge and InSb and try to make the novel magnetic-electric devices or magnetic-optic-electric devices. This project will also study whether the mechanism for the geometrically enhanced magnetoresistance is able to be applied to magnetic materials with magnetoresistance in order to further improve the performance of these magnetoresistance materials.

章晓中研究组2011年9月在Nature发文报道了在半导体硅中实现了几何增强的室温低场磁电阻，该磁电阻接近商用的巨磁阻的水平，该工作受到了国际和国内学术界的好评，入选2011年度中国科学十大进展和2011年度中国高校十大科技进展。本申请是在我们前期工作的基础上，深入研究电极、非均匀性、p-n结等是如何影响硅的磁电阻，搞清楚硅基磁电阻的机理，做出一个普适的几何增强磁电阻机理。 还要研究微型化的硅基磁电阻器件，使其性能达到或超过商用巨磁阻器件的水平，甚至做出自驱动的硅基磁电阻器件。我们的前期预研表明这个几何增强磁电阻机理还可以推广到其他半导体材料，本申请将研究GaAs、Ge、InSb等半导体材料的磁电阻，争取做出具有新颖磁电功能或磁光电功能的器件。还将研究是否可将几何增强磁电阻的机理用于已有的磁性材料基的磁电阻材料，争取提升已有的磁电阻材料的性能。

（i）我们搞清楚了我们发表在Nature杂志上的二极管非线性增强硅基磁电阻的机理，并把该机理应用到锗和砷化镓上，在这两个材料上也做出了很大的室温磁电阻。我们还利用半导体微分负电导的性能， 不用二极管就可以做出1000% @0.05T 的超大硅基磁电阻（Adv. Elect. Mater, 2017）。我们还把该机理用于磁性材料Ta/CoFeB/Mg，发明了磁电阻高达22000%@1mT 的磁电阻器件（Adv. Mater. 2016）, 这是世界上磁灵敏度最高的磁电阻，该工作可望用于超灵敏的磁传感器。.（ii）我们做出了世界上第一个可编程的硅基磁逻辑器件，该器件可以在一个器件上完成AND, OR, NAND, NOR 四种不同的磁逻辑 （Adv. Funct. Mater, 2015），为硅材料用于磁逻辑奠定了基础。.(iii) 我们还进一步把磁性材料和半导体材料结合起来，利用半导体的非线性和磁性材料的反常霍尔效应，采用磁性材Ta/CoFeB/MgO做出了非易失的可编程磁逻辑器件，该器件可以完成AND, OR, NAND, NOR 四种不同的磁逻辑。（Adv. Mater. 2016）.(iii) 类脑计算需要具有非冯诺依曼结构的计算机架构，不分CPU和存储器的计算存储器件，这样可大大减少能耗和加快计算机速度。我们利用半导体的微分负电导效应和磁性材料自旋霍尔效应，采用磁性材Ta/CoFeB/MgO做出了可编程非易失的自旋逻辑存储一体化器件，该器件可以一步实现信息读出、逻辑运算和结果写入 （Adv. Mater. 2017）。该器件可以在0-100 C下稳定可靠地工作，为非冯诺依曼架构的计算机提供了一种方案。该工作获得了第十届北京发明创新大赛金奖。我们还进一步研究了利用该器件构造半加器和全加器的可能性。