Mn摻雜Ⅳ族半導(dǎo)體的研究.pdf

1、在現(xiàn)代信息技術(shù)中，信息處理是通過控制電子的電荷來實(shí)現(xiàn)的，而信息的存儲(chǔ)利用的則是電子的自旋。如果能夠同時(shí)利用電子的電荷和自旋兩種信息載體，就有可能開發(fā)出全新的信息處理和存儲(chǔ)模式。目前，一種基于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)而又將對(duì)其產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊的新材料：稀磁半導(dǎo)體（DMS），由于其許多新穎的特性，如法拉第旋轉(zhuǎn)，巨磁阻，磁光效應(yīng)等，正在日益激起人們的興趣。當(dāng)前研究稀磁半導(dǎo)體的主要方法是對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行過渡元素的摻雜。這種摻雜方法可能通過兩種不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)載流

2、子的自旋激化：一是以O(shè)離子為中介，使得其緊鄰的摻雜過渡族磁性離子之間形成雙交換作用，從而得到可以遷移的自旋極化的載流子；二是通過過渡族金屬離子的d電子與基體半導(dǎo)體的sp載流子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)相互作用，從而使得半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶產(chǎn)生自旋交換劈裂，形成自旋多子和自旋少子，獲得自旋極化的載流子。 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體工業(yè)是以Si材料為基礎(chǔ)的，所以基于Si和Ge的磁性半導(dǎo)體容易實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)的集成而具有更廣泛的使用價(jià)值。而已有理論預(yù)言

3、MnxGe1-x的居里溫度可以達(dá)到400K，2002年P(guān)ark等人報(bào)道了居里溫度在25-116K范圍內(nèi)的稀磁半導(dǎo)體，并發(fā)現(xiàn)外加電場(chǎng)可以控制由空穴引起的薄膜鐵磁序，這使實(shí)際應(yīng)用成為可能，于是大量的有關(guān)稀磁半導(dǎo)體的研究開展起來。由于高質(zhì)量的Si成本較低，適用性強(qiáng)，重要的一點(diǎn)與目前成熟的微電子學(xué)技術(shù)兼容，到目前為止，人們利用不同的制備方法得到關(guān)于Si基磁性半導(dǎo)體的一些結(jié)果，如2004年，zhang等人用真空蒸發(fā)方法在單晶Si上制備了Si0．9

4、5Mn0．05樣品，經(jīng)晶化處理后鐵磁性一直持續(xù)到400K； 2005年M．Bolduc，C．Awo-Affouda等用離子注入的方法制備了一些樣品發(fā)現(xiàn)退火對(duì)樣品的磁性有很大影響。而利用磁控濺射方法來制備Si1-xMnx沒有很大進(jìn)展，由于利用磁控濺射可以在非熱平衡狀態(tài)下得到高M(jìn)n摻雜的樣品，因此本研究期望利用濺射法來制備不同濃度的Mn摻雜Si樣品，研究Mn摻雜濃度的影響，得到最好性能。 本研究在襯底水冷的情況下，通過濺射法制備了M

5、n含量從5％到50％的樣品，制備態(tài)樣品的XRD測(cè)量結(jié)果沒有任何衍射峰，說明樣品為非晶或者多晶， AFM、SEM測(cè)量結(jié)果顯示，樣品生長(zhǎng)十分均勻，證明生長(zhǎng)過程中Mn與Si之間存在強(qiáng)烈的擴(kuò)散作用，這也充分說明了，低溫非熱平衡過程生長(zhǎng)，Mn在Si中有更高的溶解度，利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)n摻雜。 通過進(jìn)行磁性和輸運(yùn)測(cè)量，樣品在低溫下表現(xiàn)為超順磁性，可能在樣品中形成了Mn離子的團(tuán)簇，而經(jīng)退火處理后，樣品在室溫下發(fā)現(xiàn)很弱的鐵磁性。樣品的R