鍺基磁性半導體及其異質(zhì)結(jié)的磁性與電輸運性質(zhì)研究.pdf

1、20世紀，微電子工業(yè)迅速崛起。以大規(guī)模集成電路為基礎，通過電場調(diào)控電子的電荷實現(xiàn)了信息的處理和傳輸。然而傳統(tǒng)信息技術卻忽略了電子的另一個自由度--自旋。而以磁性材料為基礎的信息(數(shù)據(jù))存儲技術也僅利用了電子的自旋這一自由度。通過電場和磁場同時調(diào)控電子的電荷和自旋兩個自由度成為眾多科學家的夢想，自旋電子學(Spintronics)應運而生。自旋電子學主要研究與電子的自旋和電荷密切相關的過程，包括自旋電流源的產(chǎn)生、自旋源注入、自旋傳輸、自旋

2、檢測和自旋控制，并最終實現(xiàn)自旋量子阱發(fā)光二極管、自旋p-n結(jié)二極管，磁隧道效應晶體管、自旋場效應管和量子計算機等自旋電子器件。自旋電子學技術將是下一代信息技術的核心，將實現(xiàn)信息的處理和存儲同步完成，因此自旋電子學得到了廣泛的關注和研究，并已經(jīng)取得重大的突破和發(fā)展。實現(xiàn)自旋電子學器件主要有兩個途徑：第一，以鐵磁材料為基礎的利用自旋相關磁電阻效應的器件，主要包括GMR，TMR等，已成功應用到磁傳感器，磁頭以及磁隨機動態(tài)存儲器中；第二，以半導

3、體材料為基礎的通過過渡金屬摻雜實現(xiàn)的磁性半導體及其異質(zhì)結(jié)，目前正得到廣泛的研究，并取得了豐碩的成果。
　　 磁性半導體材料及其異質(zhì)結(jié)是開發(fā)自旋電子學器件的關鍵，是在傳統(tǒng)的制備工藝中通過摻雜過渡金屬元素到Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ族半導體中來實現(xiàn)的。其特點是通過磁性離子中極化的3d電子與導電載流子相耦合實現(xiàn)載流子的自旋極化，并保留原半導體的帶隙。上個世紀初研究的硫化銪等磁性半導體材料居里溫度不到10K，而且制備工藝復雜，極難生長，成為

4、磁性半導體進一步發(fā)展的瓶頸。直到上個世紀90年代這一瓶頸才得以突破，日本的Ohno等人發(fā)現(xiàn)Mn摻雜InAs，GaAs等Ⅲ-Ⅴ族半導體能夠得到居里溫度在100K左右的本征鐵磁半導體材料，其鐵磁性來源于空穴載流子傳遞產(chǎn)生的鐵磁離子之間的鐵磁相互作用。大量的理論和實驗工作表明Ga(Mn)As是公認的具有本征鐵磁性的磁性半導體材料。然而其居里溫度(180K)遠低于室溫，這制約了其在工業(yè)上的大規(guī)模應用。同時Mn，Cr，Co等摻雜ZnO，TiO，I

5、n2O3等氧化物半導體也得到了廣泛的研究，然而由于氧空位和鐵磁團簇等缺陷對磁性的影響，不同的實驗小組報道的結(jié)果大相徑庭甚至相互矛盾。
　　 Ge作為Ⅳ族半導體材料，與傳統(tǒng)的Si基半導體材料具有相似的電子結(jié)構，在制備工藝上容易與Si基材料相兼容。不僅如此，相對高的本征空穴遷移率也讓Ge基磁性半導體成為高性能，低功耗器件的首選。理論計算認為，Ge基磁性半導體材料的居里溫度有望達到400K以上，這更加激發(fā)了科研工作者對Ge基材料的研究

6、熱情。Park等人利用了低溫分子束外延技術制備了單晶MnxGe1-x磁性半導體，隨著Mn的摻雜量從0.006到0.035之間變化，居里溫度從25K提高到116K，并且可以通過外加門電壓改變載流子濃度，進而改變樣品磁性。通常認為樣品的居里溫度很大程度上依賴于過渡金屬的摻雜濃度，而在熱平衡狀態(tài)下生產(chǎn)的單晶材料中過渡金屬元素的溶解度較低，并容易析出第二相和產(chǎn)生團簇。為了進一步實現(xiàn)Ge基磁性半導體的工業(yè)應用，需要提高樣品的飽和磁化強度和居里溫度

7、等。針對于此，我們在非熱平衡條件下制備了一系列高摻的均勻非晶Ge基磁性半導體薄膜及其異質(zhì)結(jié)，系統(tǒng)地研究了其電學和磁學性質(zhì)。我們的工作將推動Ge基磁性半導體在自旋電子學器件上的應用，具體工作如下：
　　 ●利用磁控共濺技術在非熱甲衡條件下在純氬氣和20％H2的混合氬氣兩種氣氛下分別制備了均勻非晶MnxGe1-x和MnxGe1-x：H磁性半導體薄膜。與不含H的MnxGe1-x薄膜相比，含有H的MnxGe1-x：H薄膜在低溫表現(xiàn)出更高

8、的載流子濃度，更大的電導，和更高的飽和磁化強度。另外，我們發(fā)現(xiàn)MnxGe1-x：H薄膜的反?；魻栯娮杪收扔谕饧哟艌龃怪庇谀っ鏈y得的磁化強度。所有的電學性質(zhì)和磁性質(zhì)表明MnxGe1-x：H薄膜中觀察到的鐵磁性是本征的。這種本征鐵磁性是鐵磁離子通過自旋極化載流子傳遞形成的間接鐵磁耦合。氫化提供了一種有效改善Ge基磁性半導體的電學和磁學性質(zhì)的方法。
　　 ●在非熱平衡條件下利用磁控共濺技術在20％H2的混合氬氣氣氛下制備了均勻非晶M

9、nxGe1-x：H磁性半導體薄膜。在低溫區(qū)MnxGe1-x：H薄膜表現(xiàn)出整體鐵磁性，隨著溫度的升高MnxGe1-x：H薄膜的矯頑力從正變到負，又變到正。這種矯頑力的正負震蕩并沒有在MnxGe1-x薄膜和其他磁性半導體中觀察到。對于Mn0.4Ge0.6薄膜，我們在30K矯頑力為負的溫度，也發(fā)現(xiàn)了反向的霍爾效應曲線。這種矯頑力的正負震蕩以近鄰的包含一個或幾個H富集團簇的鐵磁區(qū)域之間的鐵磁耦合和反鐵磁耦合做出了解釋。含有H團簇的鐵磁區(qū)域中由載

10、流子傳遞產(chǎn)生的鐵磁性是本征的，并且具有較高的居里溫度。氫化能改變MnxGe1-x薄膜的的磁性質(zhì)，這對MnxGe1-x磁性半導體應用于自旋電子學器件非常重要。
　　 ●利用磁控共濺技術在非熱甲衡條件下制備了高摻Fe的FexGe1-x均勻非晶磁性半導體薄膜。通過系統(tǒng)的研究其微結(jié)構，磁性和電輸運性質(zhì)發(fā)現(xiàn)FexGe1-x薄膜具有本征鐵磁性，并且具有高于室溫的居里溫度和較高磁化強度。飽和磁化強度隨著溫度變化的曲線可以利用Bloch自旋波公

11、式擬合，居里溫度溫度高于室溫。通過定量分析電子輸運結(jié)果表明FexGe1-x磁性半導體薄膜的電導表現(xiàn)為弱局域載流子的金屬邊導電。另外對于所有的FexGe1-x薄膜反常霍爾電阻率正比于相應的磁化強度，表明其中的載流子是自旋極化的，鐵磁性是本征的。Fe0.5Ge0.5薄膜樣品的鐵磁共振結(jié)果進一步表明樣品具有均勻的整體鐵磁性。因此具有高居里溫度和飽和磁化強度的FexGe1-x磁性半導體薄膜能夠作為自旋電流注入源在自旋電子學器件中有巨大的潛在應用

12、。
　　 ●分別在單晶Ge的p型，n型和本征襯底上生長p型FexGe1-x磁性半導體薄膜，得到了FexGe1-x/Ge非晶異質(zhì)結(jié)二極管。在整個測量溫度范圍內(nèi)所有的異質(zhì)結(jié)二極管都表現(xiàn)出傳統(tǒng)p-n結(jié)的整流特性。p-Fe0.4Ge0.6/p-Ge二極管的Ⅰ-Ⅴ曲線從10K到室溫沒有明顯的差別。研究發(fā)現(xiàn)即使在室溫，p-Fe0.4Ge0.6/n-Ge二極管仍然具有非常好的整流特性。特別值得關注的是通過大的正磁電阻發(fā)現(xiàn)外磁場能夠改變p-Fe