GaSb基半导体的磁阻效应研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

国内外的研究现状分析：材料的电阻率会因外加磁场的变化而增加或者减少，这种现象称为磁阻效应，并用电阻率的相对改变来形容磁阻。磁阻效应主要分为：常磁阻、巨磁阻、超巨磁阻、异向磁阻、穿隧磁阻、异常磁阻效应等。发现磁阻效应以来，人们对磁阻效应的研究投入不断增加，随着研究的不断深入，一些科研者发现，在非磁性材料中也能产生磁阻效应，这种磁阻效应不仅数量级庞大，而且对磁场具有很强的敏感性，尤其是2000年发现异常磁阻以后，人们对磁阻效应的研究更加广泛和深入。1997年，xu等人首次报道了在非磁性窄带隙半导体硒化二银、碲化二银中发现了十分异常的磁阻效应，实验表明，只需要对元素成分略加改变，如加入少量的ag，即可获得明显的正磁电阻效应，更特别的是，在一定的掺杂下，电阻与磁场呈现出明显的线性关系；2000年，另一种异常磁电阻效应在结构完全不同的非磁性半导体材料中被发现，solin等人在非磁性半导体insb构成的van der pauw disk中嵌入同心的金属圆，并在这种人工合成的特殊非均匀结构中观察到了明显的正磁电阻效应[13]；2000年，h.akinaga等人研究对比了黑暗条件下和给予光照条件下gaas的磁阻变化；2001年，华南师范大学黄钊洪等人发现insb-in共晶体磁阻元件被置于偏磁系统以后，对脉冲变化的红外光的照射，它的输出信号明显增强了[11]； 2002年，husmann等人在掺杂的硒化二银里观察到了相似的现象[13]，微小量的掺杂下，材料的电阻就随磁场准线性的变化，并且磁场达到60t仍不饱和，实验表明，在不同的外界条件下，材料的电阻呈现出比线性非饱和更加复杂的磁场行为，显现出不同无序度下宏观磁输运行为的差异； 2004年，sun等人在au/si-gaas肖特基二极管器件中发现较大的磁电阻效应；2007年，陈科球、黄钊洪等人用insb-in共晶型薄膜磁阻元件[12]，加上偏磁系统以及放置于中轴线的导线制成的磁阻型电流传感器，制成了一个能使输出信号有较大增强的信号处理电路；2008年，苏州大学宋亚舞等人从理论上研究了不同非均匀结构下非磁性半导体材料的磁输运行为[13]，在非磁性半导体材料中发现的异常磁电阻效应由于组分本身不具有磁电阻效应，因此这种宏观磁电阻完全由体系的非均匀性驱动，它取决于体系中由非均匀分布带来的电流通道结构。gasb是一种iii-v族化合物半导体材料[1]，晶体结构属于闪锌矿结构，在很多方面都有应用。1961年，有研究者测量了p型gasb样品在温度77-298k磁场2k-7k高斯时的磁阻[10]，在温度77k时材料的载流子霍尔迁移率只有室温下的四分之一，横向磁阻效应测量结果表面，在温度77k时1/（b*b）与磁阻的乘积跟磁场大小有关并随磁场的增大而减小，这也表明了gasb的价带里存在两种空穴。1985年，有研究者发现，在温度高于20k时的gasb半导体（n型和p型）中产生了低场负磁阻效应，实验结果表面，通常情况下，负磁阻与磁场的当前方向无关，包括横向的或者纵向的；影响出现在弱磁场里，通常当杂质集中是部分杂质的，或者是金属导体。c.d.kourkoutas等人研究了40-180k温度范围内微量掺杂的te-gasb材料（n型）的负磁阻[7]，发现在横向包围的弱小磁场里总磁阻是负的，而在更大的横向包围磁场里总磁阻增大并有变正的趋势，温度降低的时候，负磁阻效应增强。1998年，m.lakrimi和n.j.mason等人在gasb半金属超晶格中发现了异常巨大的负磁阻效应[16]，数据表明，在材料电子-空穴色散交叉点存在微小的间隙，使样品载流子密度接近本征半导体性质，这也可由低场中的强烈温度特性证明，使用平行磁场将间隙移除后，样品转变为金属特性，理论模拟得间隙大约为7mev。2002年，v.j.broadley和r.j.nicholas等人研究了gasb超晶格在高度平行的磁场里的短时间垂直输运特性[17]，发现低磁场里样品的电流电压特性展现出双负微分传导特性，高磁场里从量子限度观察到了一系列电导率峰值且满足stark回旋加速器共振条件，在某些条件下，峰值被明显的放大。2006年，c.ghezzi和r.magnanini等人研究了在n型gasb磁阻里的非线性电场效应[8]。

目的：研究gasb基半导体在不同温度以及不同外加激励电流下所表现出的磁阻效应，由此来研究gasb基半导体磁阻效应的内部形成机制。

意义：利用实验过程中获取的大量数据，可以准确分析出温度、磁场和电流大小等因素对gasb基半导体雪崩效应和低场磁电阻影响的规律，为其他iii-v族化合物的研究提供一个参考样本。对gasb基半导体磁阻效应的研究，能够促进人们对gasb材料的开发进度，加快新材料的开发步伐。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：研究温度对GaSb样品电输运性能的影响；研究磁场对GaSb样品电输运性能的影响；研究外加激励电流对GaSb电输运性能的影响。

目标：通过观察和总结实验中获得的V-I曲线以及相关测量数据，准确地分析出温度、磁场、外加激励电流对GaSb电输运性能的影响规律。

技术方案及措施：具体分为样品制备、样品清洗、电极制备、样品测试四个步骤。样品制备：用合金刻字笔将样品一整块基片切成长条形，长约15.5mm，宽度为0.25mm。样品清洗：利用化学清洗法和超声波清洗法，将样品表面的油污以及其他一些杂质清洗干净。电极制备：采用低温导电银浆作为制备电极的载体，在样品上点四个电极，并尽量保持四个点的位置在同一条直线上均匀分布。样品测试：使用ET9000电输运系统和GM制冷机，将样品放入测量设备中，按测试需要设置好相关参数，待设备准备就绪以后，即可开始测量。分别做常温与10K温度下不同磁场强度（0T、1T）的两线法与四线法的电输运性能测试，通过理论分析和测试结果对比，选择最佳测试方法；分别做10K、20K、30K、40K以及常温下无外加磁场时的电输运性能测试，通过观察不同温度对应的V-I曲线，分析出温度对GaSb样品电输运性能的影响；分别做10K、20K以及常温下不同磁场强度（0T、1T）时的电输运性能测试，通过观察不同磁场对应的V-I曲线，分析出磁场对GaSb样品电输运性能的影响；分别观察10K、20K以及常温下不同磁场强度（0T、1T）对应的V-I曲线，分析出外加激励电流对GaSb电输运性能的影响。

3. 研究计划与安排

1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，熟悉制备和测试设备。

4-5周：准备实验原材料，制备基于gasb基的磁阻器件。

6-8周：做实验，测数据。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 伍国钰. 半导体器件完全指南[m]. 李秋俊，冯世娟（译），科学出版社. 2009

[2] zdenek kaspar, miroslav marysko,vit novak. systematic study of anisotropic magnetoresistance in (ga,mn)as [j]. sciencedirect.physics procedia, vol.75, 634–640 (2015).

[3] 刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学[m]. 电子工业出版社，2008.