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非磁性Al/Ge/Al异质结中的大整流磁阻
作者：Kun Zhang, Huan-huan Li, Peter Gruuml;nberg, Qiang Li, Sheng-tao Ye, Yu-feng Tian, ShishenYan, Zhao-jun Lin, Shi-shou Kang, Yan-xue Chen, Guo-lei Liu amp; Liang-mo Mei
摘要
磁电阻和整流是异质结的两个基本物理特性，并且分别在自旋电子器件中具有广泛的应用。与众所周知的各种磁阻效应不同，这里我们报告一种全新的大磁阻，可以看作整流磁阻：在非磁性Al / Ge肖特基异质结上施加纯小正弦交流电可以产生显着的直流电压并且该整流电压随外部磁场强烈变化。我们发现Al / Ge肖特基异质结中的整流磁阻在室温下高达250％，与70％直流磁阻相比，这大大提高了。整流磁阻的研究结果为在环境温度下在交流电下大型整流磁阻的新型非磁性Ge基自旋电子器件开辟了道路，因为在同一器件中同时实现了整流和磁阻。
1.前言
磁电阻和整流是异质结的两个基本物理特性，并且分别在自旋电子器件中具有广泛的应用。磁电阻（MR）的几种类型，如各向异性磁电阻[1]、巨磁电阻[2]和隧道磁电阻[3]，目前在当前的数据存储技术中是必不可少的。后来，对非磁性材料中出现的自旋霍尔磁电阻[4,5]和大磁电阻现象的观察激发了进一步的研究[6-9]，旨在利用下一代自旋电子器件中电子的自旋，而不仅仅是电荷。另一方面，高频交流电（AC）的整流或通过转换为直流（DC）信号检测高频信号通常通过使用肖特基二极管或半导体P-N结来实现。除了这些传统功能外，还开发了新的整流概念[10-15]如磁性隧道结的自旋整流[10,11]、巨磁阻条带[12]和各向异性磁阻微结构[13-15]，为自旋电子学应用设计新的自旋源铺平了道路。目前，磁阻效应和整流效应的研究相对独立。这使得我们对静电响应和自旋动力学之间的相互作用的理解不完全，限制了自旋电子学的进一步发展。
在这项工作中，我们报告了非磁性Al/Ge肖特基异质结中的一个非常不同的磁阻，它可以被视为整流磁阻（RMR），这是由于整流和磁阻同时在同一器件中实现。研究发现，纯小正弦交流应用于非磁性Al/Ge肖特基异质结扫描时，会产生明显的直流电压，且该整流电压随外磁场的变化而变化。室温下，Al/Ge肖特基异质结的整流磁阻可达250%，而在相同的器件中，直流磁阻仅为70%。整流磁阻的发现为新型非磁性锗基自旋电子学器件开辟了一条新途径。
图1 Al/Ge/Al异质结的整流磁阻和直流磁阻。（a-c）分别显示了图1a插图所示圆形配置中Al/Ge/Al异质结的I-V曲线、直流磁阻和整流磁阻，分别在300 K（d-f）下测量，显示了在20 K下测量的I-V曲线、直流磁阻和整流磁阻。
2.结论
2.1整流磁阻的发现
如图1a的插图所示，在圆形结构的Al/Ge/Al异质结上进行了电输运实验，其中，中心Al/Ge电极设计为肖特基接触，而圆形Al/Ge电极在室温下为欧姆接触。在这里，Ge基片是本征半导体。在图1a中，在300 K下观察到非线性I-V曲线，这是连接界面的带弯曲导致中心Al/Ge肖特基势垒形成的特征。研究表明，零电压下的I-V曲线是不对称的，进一步说明了Al/Ge/Al异质结的整流行为的存在。此外，当外磁场从0增加到6T时，固定电流下的电压单调增加，如图1a所示，在6T磁场下，直流10mu;A时产生70%的正磁阻，如图1b所示。
为了探讨整流与磁阻在同一器件中同时实现的效果，我们在器件上施加了纯正弦交流电，测量了整流直流电压（即整流磁阻）的磁场依赖性。这里，磁阻总是定义为：
MR=（VHminus;V0）/V0times;100% (1.1.1)
其中VH和V0分别是在固定直流下测量直流磁阻或纯正弦交流以测量整流时的检测直流电压，本研究最有趣和创新的部分是观察如图1c所示，我们发现在室温下，电流50mA，频率1000 Hz，Al/Ge/Al异质结中的整流磁阻高达250%，直流的70%的磁阻相比有了很大的提高。
在Al / Ge / Al异质结上进一步测量低温电传输性质。在诸如20K的低温下，心Al / Ge和圆形Al / Ge电极都变为肖特基接触。在这种情况下，I-V曲线变得更加非线性和不对称（图1d），在施加10mu;A的AC下导致更大的整流MR为7700％（图1f），而直流MR仅为2800％（图1e）。此外，由于不同温度下I-V曲线的不对称性不同，整流直流电压和传统直流电压在低温20 K时具有相同的符号，而它们在300 K时具有相反的符号。
图2 整流磁阻的电流幅度和频率依赖性。（a）对于固定频率1000Hz，在20K下测量的圆形配置中的Al / Ge / Al异质结的整流磁阻（标记为RMR）的电流幅度依赖性。 作为比较，示出了直流的磁阻（标记为DC-MR），其通过使用具有与AC相同的电流幅度的DC来测量。（b）在10mu;A的交流电流下，在300K下测量的圆形配置中的整流磁阻对另一个类似的Al / Ge / Al异质结的频率依赖性。
2.2整流磁阻的电流振幅和频率依赖性
图2a显示了对于固定频率1000Hz，在20K下测量的圆形配置中的Al / Ge / Al异质结的整流磁阻的电流幅度依赖性。很明显，在5mu;A至100mu;A的电流范围内，整流磁阻比直流磁阻大得多。图2b显示了对于类似的Al / Ge / Al异质结，在300 K下测量的整流磁阻的频率依赖性。它揭示了整流磁阻在低频范围（lt;2KHz）内几乎为定值，与频率关系微弱。在频率超过2KHz 以后， RMR 随频率增加急剧减小。
2.3整流磁阻控制实验
为了确认整流磁阻，进行了以下参考实验。首先，我们以条形结构制备Al / Ge / Al异质结，如图3a的插图所示，其中两个Al / Ge条形电极被设计成串联的肖特基接触但具有相反的整流方向。在室温下两个肖特基异质结的这种配置中发现了非线性不对称I-V曲线，80％直流磁阻和200％整流磁阻，如图3a-c所示。其次，我们在n型Ge上制备了In / Ge / In肖特基接触（单面抛光，lt;111gt;取向，电阻率为0.02-0.15Omega;cm），具有明显的整流效果（图3d），但磁阻效应可忽略不计（图3e）。这些In / Ge / In肖特基接触表明，只有整流效应没有直流磁阻不能引起整流磁阻，如图3f所示。第三，我们制备了Co0.7Zn0.3O半导体薄膜，它具有明显的直流磁电阻效应，且为负磁电阻，它是由于载流子自旋相关的变程跃迁导致的[16]（图3e），但整流效果可忽略不计（图3d）。很明显，只有直流磁阻没有整流效应也不会引起任何整流磁阻，如图3f所示。第四，我们简单地将In / Ge / In肖特基接触和Co0.7Zn0.3O薄膜串联组合，这些薄膜具有明显的整流效果（图3d）和直流的磁阻（图3e）。但是，上述组合装置不能产生任何整流磁阻，如图3f所示。这明确地表明整流装置和磁阻装置的简单组合不能引起任何整流磁阻。此外，值得一提的是，任何具有/不具有与整流磁阻器件串联的磁阻的纯电阻器件都不会产生任何额外的整流DC电压，这对整流磁阻器件的应用非常有利。
图3 四个参考样品的整流磁阻和直流磁阻。(a-c)分别示出了如图3a的插图中示意性示出的条形配置中的Al / Ge / Al异质结的I-V曲线，直流磁阻和整流磁阻。(d-f)分别表示参考样品In / Ge / In肖特基接触（标记为Ge），Co0.7Zn0.3O磁性半导体膜（标记为CoZnO）的I-V曲线，直流磁阻和整流磁阻，以及 In / Ge / In肖特基接触和Co0.7Zn0.3O薄膜串联组合（标记为Ge CoZnO）。
2.4整流磁阻的机理
现在我们讨论直流磁阻和整流磁阻在Al / Ge / Al异质结中的可能机制。已知一些机制在半导体二极管和非磁性材料中引起正磁阻。大的正磁阻是非均匀半导体和p-n结[6,8,17-19]的特征。例如，空间电荷效应导致了材料内部电场分布、载流子迁移率、载流子浓度等非均匀性的产生，此空间电荷区的产生需要高达几十伏的电压。然而，在我们的情况下，在几毫伏处观察到正磁阻。几毫伏的测量电压比报告的显示空间电荷效应所需的电压低三或四个数量级。此外，所研究的肖特基二极管的I-V曲线在该低电压范围内接近线性，这与空间电荷效应的I-V曲线不同。因此，空间电荷效应不能解释我们的Al / Ge / Al异质结中的直流磁阻。另一方面，磁性半导体二极管或磁性pn结中的界面带结构中的自旋相关电子填充能改变界面的能带结构导致巨大正磁电阻效应[20-22]，以及Ge、Si、GaAs等非磁性半导体中存在的二极管辅助的巨大正磁电阻效应[23,24]。但是，我们的样品既没有磁性也没有多余二极管的辅助。显然，这些机制也无法解释我们的Al / Ge / Al异质结中的直流磁阻。
杂质态的波函数的收缩可导致轻掺杂半导体材料和人造结构中的大的非饱和正磁阻[7,25-28]。考虑到我们样品所用的本征锗与n-Ge相比，具有低的载流子浓度和很大的正磁电阻效应，我们认为我们样品的直流磁电阻效应是磁场使载流子运动呈现量子化而导致的[25]。特别地，在载流子浓度较低的情况下，杂质态或是界面态的电子波函数重叠较少。施加磁场以后，磁场压缩波函数，不同状态之间波函数“尾部”的重叠大大减少。以这种方式，磁场逐渐缩小杂质和/或界面态的带宽，能级提高[7,25]。由于磁场引起的这种能带的轻微增加进一步改变了Al / Ge肖特基界面处的能带弯曲，这导致大的正磁电阻效应。
整流磁阻的机理与直流磁阻和肖特基异质结的整流效应有关。如前所述，直流磁阻和整流磁阻都定义为
MR=（VHminus;V0）/V0times;100% (1.4.1)
通过将纯正弦AC，I = I0 sin(omega;t)引入肖特基异质结以测量整流磁阻，在任何特定磁场下检测到的DC电压VH等于相应实时电压VH（t）的平均值，即
VH = (1.4.2)
这里是施加交流电流的时间段。同理，我们可以得到
V0 = (1.4.3)
进一步得到整流磁阻。有理由相信VH（t）对于相对低的AC频率具有与直流磁阻相同的磁场依赖性，即波函数收缩机制。尽管有这种相似性，但整流磁阻与直流的磁阻有着根本上的不同。一方面，整流磁阻可以比直流的磁阻大得多；另一方面，没有整流效果，无论设备是否具有直流的磁阻，整流磁阻都会消失。迄今为止，尽管我们对整流磁阻的产生机理进行了探索研究， 但是对于RMR随交流振幅和频率的变化并没有做过多的定量或定性的分析，还有待继续研究。
3.讨论
现在（发现）的整流磁阻应该能在其他同时具有整流和磁阻效应的肖特基二极管和/或p-n结中观察到。通过优化器件设计，人们可以很容易地预测到具有比原理研究证明中所报告的更高的整流磁阻值的器件。尽管如此，这种具有高灵敏度的惊人的整流磁阻现象无疑为我们提供了先进的锗基磁电子技术的替代方法。
4.方法
4.1样品制备
实验在Al / Ge / Al异质结上以圆形结构进行，如图1a的插图所示。其中，中心Al / Ge电极设计为肖特基接触，而圆形Al / Ge电极是欧姆接触。室内温度。Ge衬底是本征半导体（单面抛光，lt;100gt;取向，电阻率为55.6-59.4Omega;·cm）。将圆形Al / Ge电极在550℃下退火3分钟，以在室温下形成欧姆接触。然后将直径为150mu;m的中心Al / Ge电极设计为肖特基接触。两个电极之间的间隔距离为150mu;m。条形配置中的Al / Ge / Al异质结的长度为1mm，宽度为150mu;m。两个Al / Ge电极通过Al导线在不同的温度和压力下连接，以获得两个串联但不同的整流方向的肖特基接触。
4.2运输测量
用Keithley 2400电流源表和Keithley 2182电压表测量I-V曲线和直流磁阻。用Keithley 6221源表测量整流磁阻，以提供正弦AC输入和Keithley 2182电压表，以测量产生的DC电压。对于上述所有磁阻测量，外部磁场施加在膜平面上。
参考文献
- Mcguire T R, Hempstead R D, Krongelb S. Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic 3d ternary alloys[J]. Magnetics IEEE Transactions on, 1975, 11(4):1018-1038.
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Baibich M N, Broto
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资料编号：[2422]
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