[发明专利]具有室温磁电阻效应的Ti0.57Cr0.43N/p-Si异质结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种具有室温磁电阻效应的Ti_0.57Cr_0.43N/p-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 Grünberg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Ti_0.57Cr_0.43N/p-Si异质结构，并且观察到大的室温磁电阻效应，在0.004mA的电流和200Oe(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℃下制备Ti_0.57Cr_0.43N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Ti_0.57Cr_0.43N/p-Si异质结构时，Ti_0.57Cr_0.43N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％。

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5Ωcm，厚度为0.4mm。

本发明的具体制备方法是经过如下步骤实现的：

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(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0.5cm×0.8cm；

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1×10^-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1Pa，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℃/秒的速度升至550℃；