随着信息技术的不断发展,人工智能、云存储、大数据等新兴产业开始影响我们的生活。伴随这些新兴产业的崛起,集成电路器件的性能越来越成为决定新兴产业发展速度的关键因素。通过提高光刻精度,降低器件尺寸,集成电路器件的计算性能不断提高,功耗不断降低。然而随着集成度不断提高,器件的尺寸已经接近其物理极限,摩尔定律即将失效。在后摩尔时代,由于自旋电子学的独特技术优势,引起了大家的广泛关注。基于自旋电子学的基本原理,科学家提出了自旋逻辑器件、磁场基逻辑器件等新型逻辑器件,利用磁电阻效应实现可重构的逻辑运算功能。由此可见,自旋电子学在后摩尔时代有重要的应用前景,将会为突破传统半导体器件的物理极限,开发下一代计算机系统,实现高运算性能、高集成度、低功耗的信息存储和运算提供新的思路。由于磁电阻效应具有深厚的物理内涵和在磁传感器和磁存储领域有巨大的实际应用和商业价值,一直是自旋电子学的研究重点。美国科学界曾总结近一个世纪以来凝聚态物理领域对人类科技进步做出的贡献中说到各向异性磁电阻效应(AMR)属于重大基础研究成果,巨磁电阻效应则属于重大应用领域成果。由此可见磁电阻效应的研究及应用对人类科技进步做出了不可磨灭的贡献。利用巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应,人类制造出了新的磁读头,相同体积下,大大提高了磁盘的信息存储量。我们通常将材料的电阻值大小随外磁场的变化而变化的现象称之为磁电阻效应。一般来说我们定义磁电阻为:MR = ρ(H)-ρ(0)/ρ(0)× 100%,p(0)其中ρ(H)为材料在外磁场为H下的电阻率,ρ(0)为材料在外磁场为0时的电阻率。磁电阻效应可以在很多磁性和非磁材料中出现。根据产生的机制不同,可以将磁电阻效应分为:正常磁电阻、各向异性磁电阻、巨磁电阻、庞磁阻、隧穿磁电阻、铁磁半导体中磁电阻效应、非磁半导体中异常磁电阻、自旋霍尔磁电阻、整流磁电阻等。近期清华大学章晓中教授课题组成功利用二极管非线性传输特性和硅、锗以及砷化镓等半导体材料的霍尔效应实现了巨大磁电阻效应,该类磁电阻可称之为二极管增强的磁电阻效应。但是,由于是利用了材料的霍尔效应,因此在小磁场下磁电阻比值衰减特别明显,低磁场灵敏度不高。作者进一步又利用Ta/CoFeB/MgO的反常霍尔效应实现了大的磁电阻比值和高的低磁场灵敏度,但是由于磁性多层膜的电阻率较小,工作电流大约在10 mA量级,功耗很大。基于以上考虑,我们提出了一种二极管增强的ZnCoO器件,在小工作电流情况下实现了高磁电阻比和高磁场灵敏度。此外,我们还建立了一个定量的理论模型,通过此模型可以很好的解释实验观察到的结果,并对器件进行性能分析。本论文的工作主要包括以下几方面内容:1.二极管增强的ZnCoO器件的巨大磁电阻效应。耦合稳压二极管开关特性和ZnCoO非晶磁性半导体薄膜负磁阻效应,制备了二极管增强的ZnCoO器件。该器件在6T下的磁电阻比值高达-6850%,0.04T下的磁电阻比值达到-875%,工作电流<0.5 mA。与此同时,ZnCoO薄膜的磁电阻比仅为-13%。结合理论模型分析了二极管增强的ZnCoO器件可以实现高磁电阻比的产生机制。在该器件中,二极管的通断使得器件呈现出高、低两个阻态。磁场会改变ZnCoO磁性半导体薄膜的电阻率,进而影响薄膜上的电势分布,最终影响高、低阻态之间的转变,从而实现材料本征磁电阻的有效放大。2.器件磁电阻效应的影响因素研究。研究了二极管增强的ZnCoO器件的磁电阻比值和二极管输运性质之间的关系。变换不同稳压值的二极管,并测量器件性质。我们发现不同稳压值二极管Ⅰ-Ⅴ曲线的陡峭程度将会影响磁电阻比,表现为反向击穿电压越高二极管的Ⅰ-Ⅴ曲线陡峭程度越高,二极管增强的ZnCoO器件的磁电阻比越大。3.理论模型的建立和布尔逻辑功能的实现。建立了描述二极管增强的ZnCoO器件输运性质的理论模型,该模型考虑ZnCoO薄膜的电阻率和几何结构因子,并将二极管当作理想二极管处理。根据这个模型,我们可以仿真ZnCoO薄膜在二极管导通和关断两种情况下的电势分布图、伏安特性曲线(Ⅳ曲线)以及器件的磁电阻比值等,可以和实验结果吻合。在二极管增强的ZnCoO器件的基础上,我门引入了两个小磁体,其中一个为控制位,另外一个为数据位,构建磁场基逻辑器件,实现了完备的布尔逻辑操作。