本发明专利技术公开了一种非线性增强磁阻的磁传感器件及其制备方法。该器件由半导体非线性单元和磁性单元复合制得。半导体的非线性形成一个快速的高低阻态转变的电阻变化，磁性单元中的反常霍尔效应使得这个高低阻态变化偏移，因此在特定的电流区间内，可以得到异常巨大的磁阻(>104％)。另一方面，磁性薄膜材料的反常霍尔效应对小磁场(～mT)很敏感，所以该器件可以在很小的磁场下产生巨大的磁阻，磁灵敏度超过105％/mT。该器件还具有特殊的磁电对称性，可以用来实现可编程的磁电逻辑运算。该器件价格低廉，制备工艺简单，是一种优异的磁传感器件，在未来的磁电子工业技术领域具有重大的潜在应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁电子器件
，具体涉及。
技术介绍
效应显著和磁场灵敏度高的磁致电阻(简称磁阻)，作为磁存储和磁传感技术的核心，在磁盘读出磁头、电子指南针、运动部件监测等方面都有广阔的应用前景，因此它一直是科学界和工业界孜孜以求的目标。目前商用的磁传感器件主要是基于GMR和TMR效应的磁性金属多层膜材料或者半导体基的磁阻元件。前者拥有更好的低磁场灵敏度，但是由于金属材料和主流半导体硅材料不兼容，工艺要求高，因此这些灵敏的磁传感器很难大规模集成到现有的主流硅工艺中，而且现有结构的磁阻值的继续提升也遇到了瓶颈。后者虽然不存在材料相容性和磁阻值小的问题，但是半导体基磁阻元件的磁场灵敏度较低，往往需要特斯拉量级的磁场，这极大地限制了它的应用范围。如何设计出一种具有低磁场大磁阻性能的磁电子器件，是科学界和工业界迫切需要的。它不仅能大大提高现有的大量基于磁阻效应的磁电子器件的性能，还能研发出新型的磁电子器件，意义重大。最近几年，许多研宄者尝试设计各种新型磁阻器件。在磁性材料磁阻器件方面，法国科学家Fert和德国科学家Gruenberg率先提出巨磁阻效应，磁阻值比之前的磁性材料中的各向异性磁阻大了一个量级，一经发现，就被迅速推广到工业界，推动了信息产业的进步。后来通过科学家们对材料制备工艺的改进和结构的优化，实现了最大600%的磁阻值，工作磁场为4mT左右(Appl.Phys.Lett.93，0825082008)。在此之后，磁阻值一直难以得到提升。在半导体材料磁阻器件方面，特别是Si基磁阻器件，日本科学家Delmo等人(Nature 457，11122009)专利技术了一种纯Si基的磁阻器件。他们的器件实现了室温3T磁场下103%的磁阻效应。随后，2011年，中国科学家章晓中等人(Nature 477，3042011)专利技术了一种基于二极管增强的磁阻器件，工作磁场更低，实现了室温0.07T磁场下10%和0.2T磁场下100%的电阻效应。不过这个工作磁场对于很多磁传感器领域，如读出磁头、电子指南针等还是太大了，阻碍了进一步的应用。另外，科学家们也提出了半导体/磁性材料复合的磁电子器件，主要是基于利用磁性材料的漏磁场，需要的磁场依然较大，且室温磁阻值不尚O
技术实现思路
本专利技术的非线性增强磁阻具有之前的磁传感器结构难以达到的性能:异常巨大的磁阻值性能以及优异的低磁场灵敏度。利用半导体的非线性，本专利技术器件的磁阻可以达到104%以上；利用垂直磁化材料对磁场敏感的特性，器件的工作磁场可以小于lmT。该器件还具有特殊的磁电对称性，可用来制作可编程的磁电逻辑运算器件，因此这种非线性磁阻的磁传感器将拥有广泛的实用化前景。本专利技术的目的是提供。具体技术方案如下:一种非线性增强磁阻的磁传感器件，由磁性材料单元和半导体非线性单元复合制得；所述磁性材料单元有4个电极，其中2个用于连接电流源，另外2个连接电压表；磁性材料单元与半导体非线性单元按照一定顺序连接。进一步，所述的磁性材料单元为磁性金属材料，磁性半导体材料，多铁材料或它们的复合体。进一步，所述的磁性材料单元为多层膜结构，颗粒膜结构或块体结构。进一步，所述的磁性材料单元为矩形或圆形。进一步，所述的磁性材料单元的磁化特性为垂直磁化或磁化各向异性。进一步，所述磁性材料单元为矩形，且长宽比(We/L。)大于0.1。进一步，所述半导体非线性单元为p-n 二极管，齐纳二极管，碰撞电离二极管，场效应管或人工晶格二极管。进一步，所述半导体非线性单元的材料为Si，Ge，GaAs, InSb。进一步，所述半导体非线性单元的电流电压曲线为非线性。进一步，所述的连接方式是在磁性材料单元一条长边上的两个电极之间并联一个半导体非线性单元，或者在两条长边上的两对电极之间各并联一个半导体非线性单元。上述非线性增强磁阻的磁传感器件的制备方法，包括以下步骤，在单晶硅片表面沉积磁性金属材料或磁性半导体，并在最外层沉积保护层；退火，得到磁性金属材料单元；采用超声压焊的方法在磁性材料单元上引出引线作为电极；在其中两电极之间连接半导体非线性单元，得到非线性增强磁阻磁传感器件。进一步，所述磁性金属材料具有MgO-CoFeB-Ta结构。进一步，所述保护层为Si02。本专利技术的有益效果为:1、所得到的器件在300K温度下，可以得到十分巨大的磁阻值，其值可以大于2X104% ；2、所得到的器件在300K温度下，对磁场十分敏感，可以在±lmT内达到超过104%的磁阻变化，最大磁灵敏度超过105% /mT ；3、所得到的器件在300K温度下，具有特殊的磁电对称性，可以用来实现可编程的磁电逻辑运算；4、该器件结构简单，原材料价格适中，与现有的硅电子工业技术兼容。【附图说明】图1为实施例1非线性增强磁阻的磁传感器件结构和磁电测量示意图；图2为实施例1非线性增强磁阻的磁传感器件在饱和磁化下的磁电特性曲线；图3为实施例1非线性增强磁阻的磁传感器件磁阻随加载电流的分布曲线；图4为实施例2非线性增强磁阻的磁传感器件在固定电流和不同磁场下的磁电特性曲线；图5为实施例3可编程磁电逻辑器件结构和磁电测量示意图；图6为实施例3可编程磁电逻辑器件在不同配置下的磁电特性曲线。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术作进一步说明:附图中各标号的含义如下:01_非线性增强磁阻的磁传感器件，02-电源表，03-电压表，04-可编程磁电逻辑器件，11-齐纳二极管，12-磁性薄膜材料，13，14，15，16-电极；18，20-开关。实施例1将500nm厚的热氧化层的单晶硅片清洗干净，在表面沉积条状的MgO-CoFeB-Ta结构磁性薄膜材料12 (图1)，并在最外层沉积一层S12作为保护层。接着在一定温度下进行退火，使其实现良好的垂直各向异性。用超声压焊的办法，在条状磁性金属多层膜的四个角上分别引出四个引线。最后，在电极13和16之间按照图1所示连接一个齐纳二极管11。至此一个非线性增强磁阻磁传感器件01就制备完成了。所制备的磁性薄膜材料12由TEM(JE0L-2011)进行结构表征，显示其为多晶结构；磁电性能测量用图1所示的四电极法测量，由Keithley2400电源表02提当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非线性增强磁阻的磁传感器件，其特征在于，由磁性材料单元和半导体非线性单元复合制得；所述磁性材料单元有4个电极，其中2个用于连接电流源，另外2个连接电压表；磁性材料单元与半导体非线性单元按照一定顺序连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：章晓中，罗昭初，熊成悦，郭振刚，陈娇娇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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