ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА ОСНОВЕ МАГНИТОИМПЕДАНСА
MAGNETOIMPEDANCE BASED SENSITIVE ELEMENT

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании новых элементов, необходимых для хранения, обработки и передачи данных.
Магнитный импеданс (МИ) - это эффект изменения комплексного сопротивления, Z=R+iX (как действительной, R, так и мнимой части, X), ферромагнитного проводника при протекании через него переменного тока под действием внешнего магнитного поля.
В 1994 году было обнаружено, что в некоторых магнитомягких материалах относительное изменение импеданса превышает 100% в сравнительно малых магнитных полях (менее 1-10 Э) [Meydan Т. Application of amorphous materials to sensors. J Magn Magn Mater 1995; 133:525-32]. Такая разновидность МИ получила название «Гигантский магнитный импеданс» (ГМИ). Чувствительность ГМИ к внешнему магнитному полю на сегодняшний день достигает 500%/Э, что превышает чувствительность всех других известных эффектов.
Начиная с первой публикации эффекта ГМИ, несколько групп исследователей сосредоточились на том, чтобы улучшать чувствительность и размер датчиков [R. Beach and A. Berkowitz, "Giant Magnetic Field Dependent Impedance of Amorphous FeCoSiB Wire," Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 26, 1994, pp. 3652-3654].
Недостаток этих устройств заключается в габаритах устройств, т.к. датчики ГМИ в современных устройствах требуют производства миниатюрных сенсоров на основе тонких пленок, связанных с полупроводниковой электроникой.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является сенсорный элемент на основе магнитоимпеданса [заявка WO 2010097932A1, МПК G01R 33/02, опубл. 02.09.2010 (прототип)], содержащий немагнитную подложку, слой диэлектрика и контакты. Прототип показывает высокую чувствительность к магнитному полю.
Однако данный элемент основан на эффекте магнитоимпеданса, возникающего за счет скин-эффекта, представлен в планарной геометрии, и, кроме того, прототип представляет собой аморфный провод, что усложняет производство и использование элемента.
Технический результат изобретения заключается в реализации большой величины МИ эффекта в МДП (магнетик/диэлектрик/полупроводник) структуре при использовании CPP (current perpendicular to plane) геометрии, при которой ток перпендикулярен плоскости интерфейсов структуры, и в возможности эффективного управления величиной МИ эффекта током смещения, протекающем через структуру.
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе на основе эффекта магнитоимпеданса, включающем немагнитную подложку, слой диэлектрика и контакты, новым являет то, что имеет он СРР геометрию, где в качестве подложки используют n-Si, в качестве диэлектрика используют SiO и металлические электроды в виде полос, нанесенных на SiO и нижнюю часть полупроводника n-Si, и поведение магнитоимпеданса обусловлено процессами перезарядки поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник при приложенном к структуре переменном напряжении.
В гибридной структуре металл/диэлектрик/полупроводник возникает эффект гигантского магнитоимпеданса за счет принципиально нового механизма благодаря наличию поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник, которые участвуют в процессах перезарядки при воздействии на структуру переменного напряжения. Действие магнитного поля сводится, главным образом, к сдвигу уровней поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Кроме того, при определенном выборе величины тока смещения возможно влияние поля на вероятность туннелирования электронов через потенциальный барьер между поверхностными состояниями и ферромагнитным электродом.
Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что эффект гигантского магнитоимпеданса возникает за счет наличия поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. И благодаря этому, за счет использования внешнего магнитного поля и тока смещения, в данном устройстве можно варьировать значения магнитосопротивления. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
2
2
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен пример конструкции предлагаемого МИ элемента. На фиг. 2 приведена температурная зависимость реальной части импеданса структуры Fe/SiO/n-Si при частоте переменного тока 10 КГц и с приложенным внешним напряжением смещения. На фиг. 3 показаны полевые зависимости реальной (а) и мнимой (b) частей импеданса при разных температурах. На фиг. 4 представлена схематическая зонная диаграмма диода Шоттки на основе структуры Fe/SiO/n-Si.
Чувствительный элемент на основе эффекта магнитоимпеданса состоит из подложки 1, слоя диэлектрика 2, слоя металла 3 и токовых контактов 4.
Устройство представляет собой гибридную структуру в виде диода металл/диэлектрик/полупроводник (МДП) с барьером Шоттки. Структура изготавливается на подложке монокристаллического Si. На поверхности подложки формируется слой диэлектрика, на который напыляется слой металла. Два токовых контакта в виде полос токопроводящего клея наносятся на поверхность железа и на нижнюю часть n-Si.
Работает устройство следующим образом. При воздействии на структуру внешнего магнитного поля Н изменяется значение сопротивления образца. Таким образом, за счет изменения внешнего магнитного поля можно осуществлять изменение магнитосопротивления структуры
<mrow><mi>M</mi><mi>R</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
b
b
При воздействии напряжения смещения V также изменяется значение сопротивление образца, а следовательно, магнитосопротивление структуры также меняет значение, фиг. 2. Таким образом, меняя Н и V, возможно более гибкое управление эффектом магнитоимпеданса.
ac
b
b
b
b
В случае МДП структуры поведение импеданса обусловлено процессами перезарядки поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Эти процессы вызваны приложенным к структуре переменным напряжением V, что приводит к смещению уровня Ферми через границу энергетических уровней. Сам же эффект магнитоимпеданса в МДП диоде следует рассматривать с позиции влияния магнитного поля на энергетическую структуру поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Хорошо известно, что при изменении напряжения смещения на МДП структуре (V) положение энергетических уровней поверхностных состояний изменяется, следуя за смещением краев разрешенных зон полупроводника, в то время как положение уровня Ферми остается неизменным. При включении отрицательного смещения V<0 в приповерхностном слое МДП структуры образуется обедненная электронами область, которая действует как добавочный слой диэлектрика и, тем самым, понижает полную емкость структуры. Появление области обеднения при V<0 означает, что в области туннельного перехода возникает дополнительное электрическое поле, которое может оказывать влияние на процессы туннелирования между металлом и поверхностными состояниями. В случае положительного смещения V>0 влияния на поведение импеданса не обнаруживается. Это, по-видимому, объясняется тем, что основное падение напряжения приходится на объем полупроводника. Тем самым демонстрируется возможность управления при помощи смещения особенностями R(T) и X(T), связанными с поверхностными состояниями, и, следовательно, возможность управления величинами MR и MX, где
<mrow><mi>M</mi><mi>X</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>X</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>X</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>X</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
2
2
2
2
Пример практически реализованной структуры соответствует фиг. 1, где 1 - подложка n-Si; 2 - слой SiO; 3 - слой Fe и 4 - электроды. Такая структура Fe/SiO/n-Si была изготовлена следующим образом. Подложка n-Si была очищена методом Шираки. На поверхности подложки методом химического окисления формировался слой SiO, на который нанесен слой Fe методом термического испарения. Контакты были нанесены на поверхность железа и на нижнюю часть n-Si(100) при помощи двухкомпонентного токопроводящего клея. Изменение действительной части импеданса для Fe/SiO/n-Si представлено на фиг. 2. Изменение в поведении R(T) при включении поля позволяет понять необычное на первый взгляд поведение действительной части импеданса при изменении H (R(H)) при фиксированной температуре, фиг. 3(а). Характер поведения R(H) зависит от того, на каком участке R(T) находится система при H=0, это положение, в свою очередь, полностью определяется температурой. Фиг. 3(а) демонстрирует, что в зависимости от выбора температуры можно реализовать положительное магнитосопротивление, отрицательное магнитосопротивление или даже смену знака магниторезистивного эффекта при определенной величине H.
Магнитосопротивление (MR) мы определяем здесь как
<mrow><mi>M</mi><mi>R</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>R</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
В случае влияния H на (X(H) ситуация более простая (фиг. 3(b)), поскольку в магнитном поле происходит сдвиг X(T) в более высокие температуры, реализуется только
<mrow><mi>M</mi><mi>X</mi><mo>=</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>X</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>H</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mi>X</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>X</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
От температуры зависит величина MX и характер поведения X(H).
S
C
C
Можно заключить, что в поле E сдвигаются в сторону от E, фиг. 4, меняется, хоть и незначительно, и вид плотности функции поверхностных состояний N(E). Действительно, в этом случае уровень Ферми, который в полупроводнике n-типа при понижении температуры сдвигается в сторону E, «достигнет» положения энергетических уровней поверхностных состояний при более высоких температурах, чем в отсутствие магнитного поля. Поэтому и пик R(T) в поле также наблюдается при более высоких температурах. Изменение N(E) проявляется в увеличении высоты пика R(T) и в изменении его формы.