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铟镓砷纳米线的可控超强磁阻效应

作者:X.X. 发布于:2016年1月28日

(1)   研究背景

磁阻效应被广泛应用于硬盘、存储器和传感器等磁性设备中。而目前,基于非磁性半导体的磁阻效应逐渐受到关注,它们所展现出来的磁阻与磁性材料相当甚至更大。这些依赖于磁场的电阻绝大部分源自于带电载流子的自旋运动、电子空穴间的共振、量子限制、自旋干扰或者类似于空间电荷效应的异质结。在过去几年中,一种依赖于碰撞电离机理的磁抑制效应被应用在硅和其他材料上。在洛伦兹力的作用下,这些材料中的电子运动长度增加,能量降低。然而,绝大部分磁阻器件都是微米级别的平面器件,制约了其在现代高密度电子产业中的应用。此外,两端口的pn结器件的磁阻效应不能够有效得到调制,因此需要精确地对其进行掺杂和适当的载流子注入。为了提高磁阻器件和现代集成电路的兼容性,多端口可重复磁阻器件显得尤为重要。III-V族窄带隙InGaAs半导体是一种高电子迁移率复合化合物半导体。它的禁带宽度为0.6eV,电子有效质量是自由电子质量的0.041倍。基于该种材料制备的40nm InGaAs环绕栅纳米线晶体管不仅可以把器件尺寸缩小三个数量级,也可以更加有效地调控载流子密度,从而高效地控制磁阻的大小。

(2)   主要研究内容

1) 纳米线晶体管低温输运特性研究

研究表明,纳米线晶体管在低温下输出和转移特性得到极大的提升。实验发现在低温4.3K下,亚阈斜率从室温的108mV/dec降低为11mV/decade,漏致势垒降低效应从115mV/V降低为6mV/V,开关比从13提高到1.8×106

2) 纳米线晶体管磁阻效应随磁场和温度的变化

我们研究发现磁阻随着磁场线性增加,并且在2.5T下仍然没有饱和。在低温下,最高的磁场可以达到1925%。在室温下,磁阻仍然保留为93%。通过理论分析我们得出室温下该器件仍然具有较大磁阻的原因:室温下InGaAs的禁带更窄,更有利于带隙间的碰撞电离;高温下缺陷复合中心被激活,载流子热复合概率降低,电子空穴对的渡越时间增加能量各大。

3) 不同栅压下磁阻成因的机理探究

研究发现高速载流子在磁场的洛伦兹力的作用下发生偏转,从而增加其非弹性散射的概率,进而增大了其碰撞电离的开启电压。由于纳米线的新颖的结构,载流子再通过纳米线侧壁边缘时会受到更多的散射。当栅压为负处于耗尽区时,在漏极和沟道边境形成pn结。在边界的电流轨迹会被施加的磁场扭曲,从而产生较大的磁阻。对于栅极为正的反型区,载有大量能量的热电子与沟道内的受主离子发生碰撞,产生大量的电子空穴对,这些电子空穴对受到磁场的洛伦兹力的作用,偏离了沟道的水平方向,进而产生磁场。

(3)   主要创新和贡献

研究了直径为20纳米,沟道长度为40纳米的InGaAs纳米线晶体管在碰撞电离区的磁阻,实现了极小尺寸下超灵敏低功耗的磁阻器件。通过垂直栅压和纵向源漏电压对这种三端器件实现双调控。研究发现该纳米尺度器件在室温2.5 T下具有100%的磁阻,在4.3 K时磁阻达到2000%。解释了磁阻效应随磁场和温度变化的关系,解释了不同栅压下磁阻形成的机理。这类高磁阻的纳米尺度器件通过由上而下的工艺制备,为未来高密度大规模磁电器件提供绝佳的机会,并且该类工艺也可以与现存商业硅基平台实现兼容。

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