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文檔簡介
1、近二十年來,為了將磁電子學(xué)應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)
中,很多人逐漸把注意力集中到半導(dǎo)體磁電子學(xué)上來。這門新興學(xué)科的主要優(yōu)點是可以與傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容,從而將凝聚態(tài)物理的兩大分支-半導(dǎo)體物理和磁學(xué)有機地結(jié)合起來,即在傳統(tǒng)的以電荷為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體上添加自旋自由度,使現(xiàn)在的電子學(xué)器件的功能得到擴(kuò)展,性能獲得改善,提高數(shù)據(jù)處理的速度和集成密度以及降低功耗等,使當(dāng)今已經(jīng)十分成熟的微電子技術(shù)得到擴(kuò)展?,F(xiàn)在,半導(dǎo)體磁電子
2、學(xué)被認(rèn)為是磁電子學(xué)大規(guī)模實用化的最現(xiàn)實途徑和今后發(fā)展的主流方向。本文研究了單晶Si襯底上的Fe3O4薄膜的制備方法及其低溫物理性質(zhì),將磁電子學(xué)中的半金屬材料和半導(dǎo)體材料結(jié)合在一起,為磁電子學(xué)的實用化打下基礎(chǔ)。
本文利用激光分子束外延(LMBE)設(shè)備成功的在單晶Si(100)和Si(111)襯底上制備了厚度為幾十納米且沒有雜相的Fe3O4薄膜,發(fā)現(xiàn)薄膜取向與襯底取向有很大關(guān)系。TEM照片顯示樣品呈Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu),
3、而磁性測量顯示Fe3O4薄膜具有明顯的磁各向異性。在研究Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)的電阻與溫度的關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)樣品在低溫下表現(xiàn)出Fe3O4薄膜本身的輸運性質(zhì)。但溫度升高后,其電阻卻會迅速下降,在接近室溫時出現(xiàn)了從半導(dǎo)體導(dǎo)電性到金屬導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)變,與一般的Fe3O4薄膜有很大不同。參考已有的研究結(jié)果,本文提出了雙電流通路模型來解釋Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)的輸運性質(zhì)。
根據(jù)這一模型,我們將Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)的磁電
4、阻分為三個溫區(qū)來討論。在第一溫區(qū)內(nèi),由于溫度較低,電子難以穿過SiO2絕緣層,電流被限制在Fe3O4薄膜里,樣品表現(xiàn)出Fe3O4薄膜本身的磁電阻;隨著溫度上升到第二溫區(qū),由于熱激發(fā),電子有一定幾率穿過SiO2層,從反型層通路傳導(dǎo),所以樣品表現(xiàn)出的磁電阻逐漸從Fe3O4薄膜的負(fù)磁電阻轉(zhuǎn)變?yōu)榉葱蛯拥恼烹娮?,而且在這一溫區(qū)出現(xiàn)了異常大的低場負(fù)磁電阻;到第三溫區(qū),電流基本上全部從反型層導(dǎo)通,樣品表現(xiàn)出反型層的正磁電阻效應(yīng),由于反型層的正磁電阻
5、正比于零場電導(dǎo)率,隨著溫度升高,零場電導(dǎo)率下降,樣品的正磁電阻也降低了。
最后,本文研究了Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)在不同溫度下的霍耳效應(yīng),進(jìn)一步證明了雙電流通路模型的正確性,并知道了反型層為空穴載流子導(dǎo)電??紤]到Fe3O4和Si的功函數(shù)不同,會在SiO2層兩邊界面附近產(chǎn)生內(nèi)建電場,引起能帶彎曲,使Si的費米能級進(jìn)入價帶,從而產(chǎn)生了P型的反型層。我們還研究了Fe3O4-SiO2-Si結(jié)構(gòu)在第二溫區(qū)出現(xiàn)異常大的低場磁電阻的原
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