高遷移率半導(dǎo)體材料的自旋注入.pdf

1、自旋電子學(xué)的目標(biāo)是在半導(dǎo)體或金屬體系中通過操控電子的自旋屬性來實(shí)現(xiàn)信息的記錄、操控、運(yùn)輸和存儲(chǔ)等。做為向半導(dǎo)體和金屬寫入和輸運(yùn)自旋信息的核心步驟，自旋注入效應(yīng)是研發(fā)半導(dǎo)體和金屬基自旋電子器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文利用磁控濺射技術(shù)制備了不同結(jié)構(gòu)的磁性金屬薄膜或磁性金屬薄膜/半導(dǎo)體復(fù)合材料，利用紫外曝光等微加工手段制備了三端口自旋注入結(jié)構(gòu)，并對(duì)其磁電運(yùn)輸性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體結(jié)果如下:
　　首先，我們?cè)诟哌w移率材料InAs襯底上制備

2、了Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs薄膜，利用四端法測(cè)量非局域幾何磁電阻。結(jié)果顯示，引起非局域幾何磁電阻(MR)的物理起源是磁場(chǎng)導(dǎo)致的洛倫茲力。在高磁場(chǎng)的情況下，Hall角度接近90度，電流密度幾乎與InAs/CoFeB界面平行，此時(shí)電流幾乎被限制在InAs中輸運(yùn)。通過制備Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs這一簡(jiǎn)單體系來研究體系中的自旋在界面處發(fā)生轉(zhuǎn)移或者散射的具體形式

3、以及轉(zhuǎn)移的自旋對(duì)體系電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響。可使Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs薄膜中產(chǎn)生MR和翻轉(zhuǎn)磁化狀態(tài)。又由于半導(dǎo)體InAs的電阻率甚高，導(dǎo)致Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs結(jié)構(gòu)中MR效應(yīng)將特別顯著。該器件的MR與磁場(chǎng)依賴關(guān)系的斜率在線性MR區(qū)域，可從局域MR的12.6 T-1增加到非局域MR的45.3 T-1。而且?guī)缀蜯R的測(cè)量值可達(dá)104％量級(jí)。這些特性對(duì)該器

4、件應(yīng)用于高場(chǎng)傳感器領(lǐng)域非常具有吸引力，該工作也為高磁場(chǎng)探測(cè)器的設(shè)計(jì)提了新思路。
　　其次，我們利用磁控濺射技術(shù)在Si/SiO2(500nm)上生長(zhǎng)了Pt(5nm)/Co(0.8nm)/AlOx(2nm)超順磁薄膜。通過控制柵極電壓的極性和大小，可方便地控制Co氧化還原反應(yīng)的進(jìn)度，進(jìn)而控制超順磁Co顆粒的大小以及薄膜的超順磁特性。通過XPS發(fā)現(xiàn)陽極上Co的氧化還原反應(yīng)的可調(diào)性。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)基于超順磁顆粒薄膜的高密度，低功耗和非易失

5、新型磁存儲(chǔ)器件提供了全新思路。
　　同時(shí)，我們已成功地通過肖特基結(jié)將自旋注入到寬帶隙半導(dǎo)體SiC中。測(cè)得SiC自旋弛豫壽命長(zhǎng)達(dá)300ps。通過輸運(yùn)機(jī)理分析表明，載流子在肖特基結(jié)的隧穿過程為多步隧穿。在多步隧穿階段，可利用缺陷態(tài)捕獲自旋極化載流子，非平衡自旋將會(huì)在這些缺陷態(tài)上弛豫。體區(qū)自旋弛豫時(shí)間較缺陷態(tài)自旋弛豫時(shí)間更短，而缺陷態(tài)自旋馳豫壽命可達(dá)1ns以上。這表明為了準(zhǔn)確測(cè)量體區(qū)自旋弛豫壽命，應(yīng)盡量避免界面態(tài)參與的輸運(yùn)過程。在直接隧

6、穿過程中測(cè)得的自旋弛豫壽命更能反映半導(dǎo)體材料的本征屬性。
　　最后，為了研究半導(dǎo)體器件的光電性質(zhì)，我們?cè)诩{米圖型化和超寬頻磁電特性測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和集成了光場(chǎng)發(fā)生與響應(yīng)裝置。該裝置可以向掃描電子顯微鏡的腔體中引入各種波長(zhǎng)的光。對(duì)于沒有磁場(chǎng)、電場(chǎng)和探針系統(tǒng)的基本電子束曝光系統(tǒng)，光場(chǎng)引入非常簡(jiǎn)單。但是當(dāng)上述三個(gè)子系統(tǒng)，特別是磁場(chǎng)發(fā)生裝置和探針系統(tǒng)，均被集成到腔體中時(shí)，要想再通過一支新的探針引入光場(chǎng)就變得非常困難。這里還需指出，盡管光纖很

7、細(xì)，但光纖頭卻相對(duì)粗壯，因此引導(dǎo)光纖的探針必然也會(huì)相對(duì)粗壯，這樣它才能具備必要的機(jī)械強(qiáng)度來支撐光纖頭。在該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中，為了節(jié)約空間，我們巧妙地將光纖頭固定在磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁極上。這種設(shè)計(jì)一則能保證固定光纖頭所需要的機(jī)械強(qiáng)度;再則剛好可將光束引入到樣品臺(tái)正中間，磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁極在工作狀態(tài)時(shí)恰好被安放在樣品臺(tái)中心位置。三則還能極大地節(jié)省寶貴的腔體空間，可謂一舉三得。
　　上述研究工作對(duì)半導(dǎo)體自旋電子器件、新型磁傳感器以及磁存儲(chǔ)