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金属氧化物半导体结构中侧向光伏与磁电阻的共存研究

作　者: 肖少庆
导　师: 夏宇兴；王辉
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学
关键词: 金属氧化物半导体结构磁电阻反型层输运轨道转变机制侧向光伏金属半导体结(肖特基势垒)
分类号: TN304
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

侧向光伏效应于1930年被肖特基发现而后于1957年被Wallmark拓展,从而应用于位置灵敏探测器至今不衰。巨磁电阻于1988年一经发现,就由于其巨大的应用价值,立刻掀起了全球性的研究热潮。2007年诺贝尔物理奖正是授予了法国科学家艾尔伯-费尔和德国科学家皮特-克鲁伯格,以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。虽然侧向光伏和磁电阻各自的报道非常多,而且也已经取得了长足的进步,但是将这两种物理特性集中在一个材料上的工作至今还没有人报道过。本文作为这个想法的率先尝试,成功地在同一种材料如一些金属氧化物半导体（Metal-Oxide-Semiconductor:MOS）结构中发现了侧向光伏和磁电阻的共存现象。侧向光伏和磁电阻的共存研究有利于拓展材料的功能,即可以开发对光和磁都敏感的信息材料,也可以开发基于光和磁的新型传感器。本文研究结果如下:（a） MOS结构Co₃Mn₂O/SiO₂/Si中侧向光伏与磁电阻的共存现象:1) MOS结构Co₃Mn₂O/SiO₂/Si的侧向光伏效应。这种结构表现出来的最大位置灵敏度是34.3 mV/mm。我们给出了侧向光伏与纵向光伏的关联性和侧向光伏对光照位置、激光波长与功率的依赖关系。2) MOS结构Co₃Mn₂O/SiO₂/Si的磁输运特性。实验证明,Co₃Mn₂O是一层由CoO、MnO、Co和Mn组成的颗粒膜。其有效电阻率在240 K时存在一个明显的跃迁。同时观测到在磁场6 T下这种结构在4.2 K时表现出一个负磁电阻-11%,而在300 K时表现出一个正磁电阻高达70%。主要原因是最上面的颗粒膜与硅反型层之间的输运轨道转换机制。3)我们进一步研究了磁场对侧向光伏的初步调制。当外加垂直于膜面的磁场达到2 T时,侧向光伏的相对变化率达到93.2%,其值是相应电阻变化率（即磁电阻）的十倍。（b） MOS结构Co/SiO₂/Si的侧向光伏与磁电阻对Co层厚度的依赖关系:1)我们分别研究了正面测量模式和背面测量模式下的侧向光伏效应,发现两种模式下的位置灵敏度随Co厚的变化规律类似,最优值都出现在Co厚为2.8纳米时,分别为42.64和51.98 mV/mm。然而,从最优化厚度开始,随着Co层厚度的增加,正面模式下的位置灵敏度下降得非常快,远远大于背面模式下的下降速率。我们通过短路效应解释了这种现象。2)我们还比较了两种测量模式下这种Co/SiO₂/Si MOS结构作为位置灵敏探测器的各项参数。数据表明,这两种模式下的相关系数和非线性率都能达到较好的要求3) MOS结构Co/SiO₂/Si的磁电阻特性。我们研究了这种结构在室温300 K和6个特斯拉磁场下的磁电阻与Co层厚度的关系,发现当Co层最薄即1.6纳米时,其磁电阻最大达到31.2%。随着Co层厚度的增加,磁电阻剧烈地变小。我们采用输运轨道转变机制对这种磁输运特性进行了解释。4)我们同样初步研究了磁场对这种结构侧向光伏的调制。发现侧向光伏的变化率在外加磁场为2 T时达到46.3%。

全文目录

摘要  6-9
ABSTRACT  9-16
第一章综述  16-53
  1.1 引言  16-17
  1.2 侧向光伏及物理机制  17-22
    1.2.1 侧向光伏  17-19
    1.2.2 侧向光伏效应的物理机制  19-20
    1.2.3 金属氧化物半导体结构  20-22
  1.3 侧向光伏的应用  22-28
    1.3.1 位置灵敏探测器在测距中的应用  22-23
    1.3.2 位置灵敏探测器在角测量中的应用  23-24
    1.3.3 位置灵敏探测器在汽车雷达避障中的应用  24-25
    1.3.4 位置灵敏探测器在汽轮发电机组轴承相对标高测试中的应用  25-26
    1.3.5 位置灵敏探测器的其他应用  26-28
    1.3.6 侧向光伏在转轴编码器中的应用  28
  1.4 磁电阻  28-37
    1.4.1 各类磁电阻  28-32
    1.4.2 反型层的磁电阻  32-34
    1.4.3 颗粒膜的磁电阻  34-35
    1.4.4 磁电阻的测量方法  35-37
  1.5 磁电阻的应用  37-45
    1.5.1 计算机硬盘读出磁头中的应用  37-39
    1.5.2 磁电阻型随即存储器中的应用  39-42
    1.5.3 机械运动传感器中的应用  42-44
    1.5.4 电路隔离器中的应用  44-45
  1.6 本论文的结构  45
  参考文献  45-53
第二章样品制备、测试和分析方法  53-72
  2.1 衬底准备  53
  2.2 溅射及沉积率定标  53-58
    2.2.1 直流溅射  54-55
    2.2.2 射频溅射  55-56
    2.2.3 磁控溅射  56-57
    2.2.4 离子束溅射  57-58
    2.2.5 沉积率定标  58
  2.3 侧向光伏测量方法  58-60
  2.4 物性测量方法  60-64
    2.4.1 输运以及磁输运特性测试方法  60-62
    2.4.2 磁性测量  62-63
    2.4.3 伏安特性测量  63-64
  2.5 结构、形貌分析方法  64-69
    2.5.1 原子力显微镜（AFM）  64-65
    2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）  65-67
    2.5.3 透射电子显微镜（TEM）  67-69
  2.6 元素成分分析方法  69-70
    2.6.1 俄歇电子能谱（AES）  69-70
    2.6.2 X 射线光电子能谱（XPS）  70
  参考文献  70-72
第三章侧向光伏理论  72-84
  3.1 p-n 结  72-76
    3.1.1 物理机制  72-74
    3.1.2 理论模型  74-76
  3.2 金属半导体结  76-78
    3.2.1 物理机制  76-77
    3.2.2 理论模型  77-78
  3.3 金属氧化物半导体结构  78-81
  3.4 总结  81
  参考文献  81-84
第四章 MOS 结构 CO_3MN_2O/SiO_2/Si 中磁电阻和侧向光伏的共存现象  84-116
  4.1 反型层磁电阻的物理机制  84-89
  4.2 颗粒膜磁电阻的物理机制  89-95
    4.2.1 Helman 和Abelest 的理论模型  89-93
    4.2.2 Inoue 和Maekawa 的理论模型  93-95
  4.3 样品制备  95-97
  4.4 金属氧化物半导体结构 Co_3Mn_2O/SiO_2/Si 的磁输运特性  97-105
    4.4.1 结构表征  97-99
    4.4.2 磁输运特性  99-105
  4.5 金属氧化物半导体结构 Co_3Mn_2O/SiO_2/Si 的侧向光伏效应  105-111
    4.5.1 伏安特性  105-106
    4.5.2 侧向光伏  106-111
  4.6 磁场对侧向光伏的调制  111-113
  4.7 本章小结  113
  参考文献  113-116
第五章 MOS 结构CO/SiO_2/Si 的磁电阻和侧向光伏效应  116-137
  5.1 位置灵敏探测器的各项参数  116-118
  5.2 样品制备  118-119
  5.3 结构表征  119-120
  5.4 输运以及磁电阻特性  120-124
  5.5 侧向光伏  124-134
    5.5.1 能带结构和I-V 特性  124-126
    5.5.2 正面模式的侧向光伏  126-131
    5.5.3 正面模式与背面模式的比较  131-134
  5.6 磁场对侧向光伏的调制  134-135
  5.7 本章小结  135
  参考文献  135-137
第六章总结与展望  137-141
  6.1 本论文的主要工作  137-139
    6.1.1 研究了金属氧化物半导体结构Co_3Mn_2O/SiO_2/Si中的侧向光伏与磁电阻  的共存现象  137-138
    6.1.2 研究了金属氧化物半导体结构 Co/SiO_2/Si 中的磁电阻与侧向光伏效应  138
    6.1.3 金属氧化物半导体结构 Co/SiO_2/Si 作为位置灵敏探测器性能优化的研究  138-139
  6.2 本文的创新点  139
  6.3 工作展望  139-141
致谢  141-142
攻读博士学位期间完成的学术论文  142

金属氧化物半导体结构中侧向光伏与磁电阻的共存研究

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