專利名稱：摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種巨磁阻器件及制備方法領域，特別涉及一種具有p-n結結構的摻雜鈦酸鋇和摻雜鑭錳氧巨磁阻器件及制備方法。
背景技術：
對于具有電磁特性的功能器件，人們最感興趣的是它在電場或磁場的作用下，其特性能產生很大甚至戲劇性的變化。自從巨磁阻材料發現以來，在世界范圍內掀起了巨磁阻材料的探索與應用的熱潮。(如文獻1、S.Jin et al.Science，264，431(1994)；文獻2、Y.D.Chuang etal.Science，292，1509(2001)；文獻3、A.P.Ramirez et al.Science，277，546(1997)；文獻4、Y.Shimikawa et al.Nature，379，53(1996))。利用材料的巨磁阻特性，人們已成功地制造出巨磁阻磁頭和磁存儲器等，并已獲得了巨大的經濟效益。但是對于電子學應用的最基本結構p-n結，盡管人們經過了很大的努力，但到目前為止，研制出的巨磁阻材料均是p型特性，n型的巨磁阻材料以及巨磁阻p-n結至今還見到報道。
發明內容
本發明的目的在于克服上述巨磁阻器件的缺陷，為了提供一種摻雜鈦酸鋇p-n結的巨磁阻器件；為了提供一種可廣泛應用于磁探測、磁測量、磁控制或磁電子學方面的具有p-n結的摻雜鈦酸鋇和摻雜鑭錳氧巨磁阻器件，或由它組成的串聯式和多元列陣的巨磁阻p-n結器件，以及制備方法。
本發明提供的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，包括襯底、電極和引線；其特征在于在襯底上設置至少一個或一個以上p-n結結構；該p-n結結構由p型摻雜鑭錳氧外延層或n型摻雜鈦酸鋇外延層與n型摻雜鈦酸鋇或p型摻雜鑭錳氧外延層交替疊層在襯底上構成；電極設置在最上面的p型摻雜鑭錳氧外延層或n型摻雜鈦酸鋇外延層上和襯底上，或設置在最上面的p型摻雜鑭錳氧外延層或n型摻雜鈦酸鋇外延層上和在襯底上的第一層外延層上，電極上連接引線。
所述的巨磁阻器件可以為一個單元，還包括在一塊襯底上有2個以上巨磁阻器件單元，并且單個巨磁阻器件單元之間通過電極和引線串聯或并聯作成串聯式或并聯式列陣式巨磁阻器件。
所述的襯底包括襯底材料導電的和襯底材料不導電的；其中導電的襯底材料包括摻雜鈦酸鋇、摻雜鈦酸鍶、摻雜鑭錳氧單晶襯底、Si、Ge或GaAs等單晶襯底；不導電的襯底材料包括SrTiO3、BaTiO3、LaAlO3、ZrO2或LAST(拉薩特)等單晶襯底。
所述的設置在襯底上的p型摻雜鑭錳氧層選具有磁特性的La1-xAxMnO3，其中式中A包括Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb或Ta；其x值為0.01～0.4；所述的設置在襯底上的n型摻雜鈦酸鋇層選BaDyTi1-yO3或Ba1-yLayTiO3，其中式中D包括Nb、Sb或Ta，其y值為0.005～0.4。
所述的設置在襯底上的n型摻雜鈦酸鋇層和p型摻雜鑭錳氧層的厚度與層數可以是相同的，也可以是不同的；其中每層厚度為8-1μ；其中n型摻雜鈦酸鋇層至少為一層以上和p型摻雜鑭錳氧層的層數至少也為一層以上。
本發明提供的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件的制備方法，包括以下步驟1.首先選擇襯底和外延層材料選擇具有磁特性的La1-xAxMnO3材料作p型摻雜鑭錳氧外延層，其中式中A是Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb或Ta，x值為0.01～0.4；選BaDyTi1-yO3或Ba1-yLayTiO3材料作n型摻雜鈦酸鋇，其中D是Nb、Sb或Ta，y值為0.005～0.4；選擇導電的材料包括摻雜鈦酸鋇、摻雜鈦酸鍶、摻雜鑭錳氧單晶襯底、Si、Ge或GaAs等單晶襯底作為襯底；不導電的材料包括SrTiO3、BaTiO3、LaAlO3、ZrO2或LAST(拉薩特)等單晶襯底作為襯底；2.利用常規制膜方法，加熱襯底溫度為500℃-900℃，氧氣壓為10-4Pa-100Pa下，外延層的生長速率為5-500/分鐘的條件范圍內，把p型摻雜的鑭錳氧材料(2)和n型摻雜的鈦酸鋇(3)交替疊層外延在一起，制備出在一個襯底上具有一個或多個p-n結結構的巨磁阻器件；選擇最佳生長條件，以保證薄膜很好的外延生長和得到良好的p-n接結面；3.用常規方法制備電極和引線，然后封裝制備出摻雜鈦酸鋇和摻雜鑭錳氧巨磁阻p-n結器件。
還包括步驟4.通過常規光刻和刻蝕方法，將該上述步驟2得到的在一個襯底上具有一個或多個p-n結結構的巨磁阻器件單元進行刻蝕，刻蝕到不導電的襯底處，得到在一個襯底上具有多個p-n結結構的巨磁阻器件；用常規方法制備電極和引線，并將多個p-n結結構的巨磁阻器件通過電極引線組成串聯的或并聯的列陣式巨磁阻器件。
所述的常規制膜方法包括激光分子束外延、脈沖激光沉積、分子束外延、磁控濺射、電子束蒸發或粘膠法等。
本發明的優點在于本發明選用具有p型和巨磁阻特性的摻雜鑭錳氧與具有n型特性的摻雜鈦酸鋇，利用制膜技術和方法，把p型摻雜的鑭錳氧材料和n型摻雜的鈦酸鋇交替疊層外延在一起，利用半導體工藝，制備出多種單元、串聯式或多元列陣巨磁阻p-n結器件。充分利用了該p-n結具有巨磁阻特性和正反向電流具有相同磁調制特性的特點，把多個p-n結串聯，是一種多p-n結結構的高靈敏度磁功能器件，即使在室溫和低強度磁場下，也仍然具有很高的靈敏度，可廣泛應用于磁探測、磁測量和磁控制。尤其是它外延生長在單晶襯底上，甚至可以外延生長在Ge、Si、GaAs等單晶襯底上，便于與電子學器件集成，因而在磁電子學方面也有廣泛的應用。
圖1是本發明使用導電襯底的巨磁阻器件單元結構示意2是本發明使用導電襯底的具有多個p-n結結構的單元巨磁阻器件結構示意3是本發明在一導電襯底上串聯式巨磁阻器件結構示意4是本發明在一導電襯底上有多個單元巨磁阻器件并聯組成的多元列陣式結構示意5是本發明在不導電襯底的單元巨磁阻器件的結構示意6是本發明在不導電襯底上有多個單元巨磁阻器件并聯組成的多元列陣式結構示意7是本發明在不導電襯底上多個單元巨磁阻器件串聯式結構示意面說明如下1-導電的襯底；2-摻雜鑭錳氧(或摻雜鈦酸鋇)；3-摻雜鈦酸鋇(或摻雜鑭錳氧)；4-電極；5-引線；6-不導電的襯底。
具體實施例方式
實施例1按圖1制作一本發明的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件使用SrNb0.01Ti0.99O3的單晶做導電襯底1，用激光分子束外延方法制備具有一個p-n結結構的巨磁阻器件，下面結合附圖和制備方法對本發明的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件的結構進行詳細地說明用激光分子束外延方法制備外延層，其外延條件加熱導電襯底1溫度650℃，氧氣壓5×10-3Pa，生長速率10/分鐘；在SrNb0.01Ti0.99O3的單晶導電襯底1上外延生長350nm厚的p型La0.9Sr0.1MnO3外延層2和200nm厚的n型BaNb0.1Ti0.9O3外延層3，把外延片切割成1mm×1mm的單元管芯，電極4設置在導電襯底1和BaNb0.1Ti0.9O3外延層3上，用銦把0.2mm的銅線作為引線5焊接在電極4上，制備成圖1所示的襯底1上形成具有一個p-n結結構的巨磁阻器件。
實施例2.
按實施例1制作，只是用p型La0.85Te0.15MnO3代替p型La0.9Sr0.1MnO3，其La0.85Te0.15MnO3外延層的厚度為400nm，具有p型巨磁阻特性的摻雜鑭錳氧與具有n型特性的摻雜鈦酸鋇的外延層的厚度相同，其它結構同實施例2，制備成在一塊襯底上只有一單元巨磁阻p-n結器件。
實施例3用激光分子束外延方法制備外延層，加熱襯底溫度850℃，氧氣壓5×10-1Pa，生長速率50/分鐘的外延生長條件。在n型BaNb0.05Ti0.95O3的單晶襯底1上外延生長350nm厚的p型La0.9Sr0.1MnO3外延層2，把外延片切割或經刻蝕成1mm×1mm的單元管芯，用銦把0.2mm的銅線做為引線5焊接在外延片的兩面上所做的電極4上，制備成圖1所示的單元巨磁阻p-n結器件。
實施例4.
按實施例3制作，用p型La0.85Te0.15MnO3代替p型La0.9Sr0.1MnO3，制備成單元巨磁阻p-n結器件。
實施例5.
按圖2制作一具有多p-n結結構的單元巨磁阻p-n結器件。用激光分子束外延方法制備外延層，在襯底溫度700℃，氧氣壓(含15％的O3)10-4Pa，生長速率20/分鐘的條件下，在SrNb0.01Ti0.99O3的單晶導電襯底1上交替疊層外延生長厚80nm的p型La08Sr0.2MnO3外延層2，和厚50nm的n型BaNb0.05Ti0.95O3外延層3，厚80nm的p型La08Sr0.2MnO3外延層2，厚50nm的n型BaNb0.05Ti0.95O3外延層3，其余結構同實施例1。
實施例6按實施例3制作，用粒子束刻蝕在外延片上刻蝕出1mm×1mm間距0.5mm的單元管芯，把每兩個單管芯件切割成一小塊，用銦把0.2mm的銅導線焊接在兩個單元管芯的最上面外延層作電極(4)和引線(5)，制備圖3所示的兩個單元器件串聯的巨磁阻p-n結器件。
實施例7.
用磁控濺射方法制備外延層，外延條件加熱襯底溫度800℃，氣壓20Pa(氧∶氬＝1∶1)，生長速率50/分鐘。在SrNb0.1Ti0.9O3的單晶襯底1上疊層外延生長20個周期20nm厚的p型La08Ca0.2MnO3外延層2和10nm厚的n型BaSb0.1Ti0.9O3外延層3。用粒子束刻蝕在外延片上刻蝕0.3mm×0.3mm，間距0.1mm的單元巨磁阻管芯，用光刻和化學腐蝕在每個管芯上制備0.2mm×0.2mm的電極4，把兩個管芯切割成一塊，從兩個管芯上的電極連接引線5，制備出圖3所示的串聯式的巨磁阻p-n結器件。
實施例8.
按實施例5方法制作(也可以將襯底采用LAST材料作襯底)，把每排10個管芯切割成一塊，從10管芯上的電極(4)電極連接引線(5)作單元引線，從襯底(1)的電極(4)連接引線(5)作公共電極，制備圖4所示的線列式巨磁阻p-n結器件。
實施例9.
按實施例5制作，把10排每排10個管芯切割成一塊，從這100個管芯上的電極電極(4)連接引線(5)作單元引線，從襯底(1)的電極(4)連接引線(5)作公共電極，制備圖4所示的10×10多元列陣式巨磁阻p-n結器件。
實施例10.
用脈沖激光沉積法制備外延層，外延條件加熱襯底溫度900℃，氧氣壓100Pa，生長速率500/分鐘。在SrTiO3襯底(6)上首先外延300nm厚的n型BaNb0.4Ti0.6O3外延層2，再在n型BaNb0.4Ti0.6O3外延層2上交替外延10個周期100nm厚的p型La0.75Sr0.25MnO3外延層3和100nm厚的n型BaNb0.1Ti0.9O3外延層2。用粒子束刻蝕，在外延片上刻蝕直徑0.5mm、間距1.5mm的單元巨磁阻器件，刻蝕到SrTiO3襯底6上300nm厚的n型BaNb0.4Ti0.6O3(3)層為止。然后真空蒸鍍約200nm金膜，用光刻和化學腐蝕方法，在直徑0.5mm的管芯上和1.5mm間距處的第一外延層(2)上各制備直徑0.3mm的電極(4)。把制備好的外延片沿管芯切割成單個管芯，用點焊機在直徑0.3mm的金膜電極(4)上連接引線(5)，制備圖5所示的單元巨磁阻p-n結器件。
實施例11.
用激光分子束外延制備外延層，外延條件加熱襯底溫度710℃，氧氣壓1×10-2Pa，生長速率20/分鐘。在不導電的SrTiO3襯底6上首先外延300nm厚的n型BaNb0.4Ti0.6O32，再在n型BaNb0.4Ti0.6O3上交替外延10個周期100nm厚的p型La0.75Sr0.25nO33和100nm厚的n型BaNb0.1Ti0.9O32。用粒子束刻蝕。再在所制備的外延片上刻蝕面積為1mm×1mm、間距1.5mm的單元巨磁阻器件，刻蝕深度到SrTiO3襯底6上300nm厚的n型BaNb0.4Ti0.6O33層為止。然后真空蒸鍍約200nm金膜作為電極層，再在電極層上用光刻和化學腐蝕方法，在1mm×1mm的管芯上和1.5mm間距處的第一外延層2上各制備出直徑0.5mm的電極4。把制備好的外延片切割成8單個管芯為一組，用點焊機在直徑0.5mm的金膜電極4上連接引線5，制備出圖6所示的多元列陣式巨磁阻p-n結器件。
實施例12.
按實施例11制作，把制備好的外延片切割成8單個管芯為一組，制備圖7所示的串聯式巨磁阻p-n結器件。
實施例13.
按實施例10制作，首先在SrTiO3襯底(6)上外延500nm厚的La0.6Sr0.4MnO3。
實施例14.
按實施例10方法制作，用MgO或ZrO2材料作襯底，其余結構同實施例10。
實施例15.
按實施例10制作，用電子束蒸發代替脈沖激光濺射，選取氧氣壓5×10-4Pa(含15％的原子氧)。
實施例16.
用激光分子束制備外延層，外延條件加熱襯底溫度500℃，氧氣壓5×10-4Pa(含10％的原子氧)，生長速率50/分鐘條件下，選用2英寸摻雜單晶Si作襯底1，用SrO作緩沖層，外延50個周期5nm厚的n型BaNb0.15Ti0.85O32和10nm厚的p型La0.8Ba0.2MnO33，用粒子束刻蝕把外延片刻蝕成1mm×1mm，間距0.2的單元管芯，用濺射法和光刻技術，在管芯上制備直徑0.5mm的電極4，切割成20排每排20個管芯小塊，從400個管芯的電極4連接引線5作單元引線，從Si襯底的電極4連接引線5作公共電極。制備圖4所示的20×20多元列陣式巨磁阻p-n結器件。也可以用分子束外延技術，選用4英寸的單晶Ge作襯底。
實施例17.
制備圖3所示的串聯式巨磁阻p-n結器件，用激光分子束制備外延層，外延條件加熱襯底溫度680℃，氧氣壓5×10-3Pa，生長速率25/分鐘，在SrNb0.05Ti0.95O3襯底1上，外延8個周期150nm厚的p型La0.7Pb0.3MnO3(2)和30nm厚的n型BaSb0.3Ti0.7O33，用光刻和粒子束刻蝕，制備直徑0.6mm，間距0.2mm的單元管芯。把每兩個管芯切割成一小塊，用光刻和化學腐蝕在每個管芯制備直徑0.2mm的鋁電極4，用壓焊機從電極4連接引線5。
實施例18.
按實施例17制作，用p型La0.9Sn0.1MnO3代替p型La0.7Pb0.3MnO3；或者用p型La0.9Sb0.1MnO3代替p型La0.7Pb0.3MnO3或者用p型La0.65Ta0.35MnO3代替p型La0.7Pb0.3MnO3；或者用p型La0.9Nb0.1MnO3代替p型La0.7Pb0.3MnO3。
實施例19.
按實施例18制作，用n型BaTa0.005Ti0.995O3代替n型BaSb0.3Ti0.7O3；或者用n型Ba0.95La0.05TiO3代替n型BaSb0.3Ti0.7O3。
實施例20按實施例16制作，用GaAs襯底代替單晶Si作襯底，使用粘膠法制備。
權利要求
1.一種摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，包括襯底、電極和引線；其特征在于在襯底上還包括至少設置1個p-n結結構或1個以上p-n結結構，該p-n結結構由一層p型摻雜鑭錳氧層與一層n型摻雜鈦酸鋇層，或一層n型摻雜鈦酸鋇層與p型摻雜鑭錳氧層交替設置在襯底上組成；電極分別設置在最上面的p型摻雜鑭錳氧層或n型摻雜鈦酸鋇層和襯底上/或設置在襯底上的第一層p型摻雜鑭錳氧層或n型摻雜鈦酸鋇層上，電極上連接引線。
2.按權利要求1所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于還包括在一塊襯底上有2個以上巨磁阻器件單元，并且各巨磁阻器件單元之間通過電極和引線串聯或并聯組成列陣巨磁阻器件。
3.按權利要求1或2所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于所述的襯底材料包括導電的和不導電的襯底材料。
4.按權利要求3所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于所述的導電的襯底材料包括摻雜鈦酸鋇、摻雜鈦酸鍶、摻雜鑭錳氧單晶基片、鍶、鍺或砷化鎵單晶基片。
5.按權利要求3所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于所述的不導電的襯底材料包括鈦酸鍶、鈦酸鋇、鋁酸鑭、氧化鋯或拉薩特單晶基片。
6.按權利要求1或2所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于所述的p型摻雜鑭錳氧層選具有磁特性的La1-xAxMnO3，其中式中A包括Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb或Ta；其x值為0.01∽0.4；
7.按權利要求1或2所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于所述的n型摻雜鈦酸鋇層選BaDyTi1-yO3或Ba1-yLayTiO3，其中式中D包括Nb、Sb或Ta，其y值為0.005∽0.4。
8.按權利要求1或2所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件，其特征在于所述的n型摻雜鈦酸鋇層和p型摻雜鑭錳氧層的厚度與層數可以是相同的，也可以是不同的；其中每層厚度為8-1μ。
9.一種制備權利要求1所述的摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件方法，其特征在于包括以下步驟(1)首先選擇襯底材料，包括導電的襯底材料摻雜鈦酸鋇、摻雜鈦酸鍶、摻雜鑭錳氧單晶襯底、Si、Ge或GaAs；或不導電的襯底材料包括鈦酸鍶、鈦酸鋇、鋁酸鑭、氧化鋯或拉薩特單晶作為襯底，進一步清潔達到制膜的需要；和選擇外延層材料選擇具有磁特性的La1-xAxMO3材料作p型摻雜鑭錳氧外延層，其中式中A是Sr、Ca、Ba、Pb、Sn、Te、Nb、Sb或Ta，x值為0.01～0.4；選BaDyTi1-yO3或選擇具有磁特性的Ba1-yLayTiO3材料作n型摻雜鈦酸鋇外延層材料，其中D是Nb、Sb或Ta，y值為0.005～0.4；(2)利用常規制膜方法，加熱襯底溫度為500℃-900℃，氧氣壓為10-4Pa-100Pa下，外延層的生長速率為5-500/分鐘的條件范圍內，把p型摻雜的鑭錳氧材料和n型摻雜的鈦酸鋇材料交替疊層外延在一起，制備出在一個襯底上具有一個或多個p-n結結構的巨磁阻器件；(3)用常規方法制備電極和引線，然后封裝制備出摻雜鈦酸鋇和摻雜鑭錳氧巨磁阻p-n結器件。
10.按權利要求9所述的制備摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件方法，其特征在于所述的常規制膜方法包括激光分子束外延、脈沖激光沉積、分子束外延、磁控濺射、電子束蒸發或粘膠法。
11.按權利要求10所述的制備摻雜鈦酸鋇巨磁阻器件方法，其特征在于還包括步驟4.通過常規光刻和刻蝕方法，將該上述步驟2得到的在一個襯底上具有一個或多個p-n結結構的巨磁阻器件單元進行刻蝕，刻蝕到不導電的襯底處，得到在一個襯底上具有多個p-n結結構的巨磁阻器件；用常規方法制備電極和引線，并將多個p-n結結構的巨磁阻器件通過電極引線組成串聯的或并聯的列陣式巨磁阻器件。
全文摘要
本發明涉及一種摻雜鈦酸鋇和摻雜鑭錳氧巨磁阻器件。它包括襯底、電極和引線和至少設置1個p－n結結構，該p－n結結構由一層p型摻雜鑭錳氧層與一層n型摻雜鈦酸鋇層，或一層n型摻雜鈦酸鋇層與p型摻雜鑭錳氧層交替設置在襯底上組成；電極分別設置在最上面的p型摻雜鑭錳氧層或n型摻雜鈦酸鋇層和襯底上/或設置在襯底上的第一層p型摻雜鑭錳氧層或n型摻雜鈦酸鋇層上，電極上連接引線。該器件是一種多p－n結結構的高靈敏度磁功能器件，即使在室溫和低強度磁場下，也仍然具有很高的靈敏度，可廣泛應用于磁探測、磁測量和磁控制。
文檔編號H01L43/12GK1485934SQ0212924
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月27日 優先權日2002年9月27日
發明者呂惠賓, 顏雷, 陳正豪, 戴永愚, 郭海中, 劉立峰, 相文峰, 何萌, 周岳亮, 楊國楨 申請人:中國科學院物理研究所