Ⅳ族非晶半導(dǎo)體薄膜的磁性與電輸運(yùn)研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，半導(dǎo)體芯片的集成度正以摩爾定律預(yù)言的速度向前發(fā)展，隨之給器件設(shè)計帶來了新的瓶頸——芯片功耗、量子尺寸效應(yīng)等問題。眾所周知，傳統(tǒng)微電子學(xué)只利用了電子的電荷屬性，為了突破這一新的瓶頸，人們想到同時利用電荷與自旋兩個自由度，引進(jìn)新的信息處理、傳輸以及存儲方法，來實(shí)現(xiàn)小型化、高速度、低能耗、高集成度等多功能的電子器件，于是自旋電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。
　　在自旋電子學(xué)中，自旋-軌道耦合作用(Spin-orbit Coup

2、ling，SOC)占有重要地位，它是調(diào)控電子自旋的一種有效方法，而且在自旋電子學(xué)器件方面具有潛在應(yīng)用價值，比如自旋場效應(yīng)管、自旋干涉儀以及自旋濾波器等。根據(jù)材料所受力的性質(zhì)和材料結(jié)構(gòu)的對稱性，自旋-軌道耦合作用可以分為Dresselhaus自旋-軌道耦合和Rashba自旋-軌道耦合。Dresselhaus SOC主要是由于材料的體反演非對稱導(dǎo)致導(dǎo)帶有一個自旋-軌道耦合引起的劈裂，從而形成兩個子能帶，表現(xiàn)了材料的體效應(yīng);Rashba SO

3、C是由于結(jié)構(gòu)反演非對稱造成的，這種不對稱導(dǎo)致了能帶傾斜，其大小與電勢梯度成正比。Rashba SOC又分兩種，一種與材料的表面或者界面有關(guān)，一種是利用外加電場來調(diào)控界面的自旋-軌道耦合強(qiáng)度。對于電子自旋的調(diào)控，Rashba自旋-軌道耦合提供了一個很好的方法。近年來，自旋霍爾效應(yīng)(Spin Hall Effect，SHE)、拓?fù)浣^緣體、Skyrmion晶格、反常霍爾效應(yīng)(Anomalous Hall Effect，AHE)等與自旋-軌道耦

4、合相關(guān)的物理效應(yīng)被廣泛關(guān)注，這些效應(yīng)進(jìn)一步催生了自旋電子學(xué)器件的新型結(jié)構(gòu)和新穎功能。
　　在磁性半導(dǎo)體材料中，與自旋-軌道耦合作用相關(guān)的一種重要電磁學(xué)效應(yīng)是反常霍爾效應(yīng)，它不同于正常霍爾效應(yīng)(Ordinary Hall Effect，OHE)。正?；魻栯娮杪逝c外磁場成正比，由洛倫茲力導(dǎo)致的;而反?；魻栯娮杪逝c材料的磁化強(qiáng)度成正比，由載流子的自旋極化和自旋-軌道耦合作用決定的。反?；魻栃?yīng)的形成機(jī)理包括內(nèi)稟機(jī)制和外稟機(jī)制，外稟機(jī)制又

5、包括側(cè)向跳躍(Side-jump)和斜散射(Skew Scattering)兩種。1954年Karplus首次提出了反?；魻栃?yīng)的內(nèi)稟機(jī)制，當(dāng)時他完全忽略了雜質(zhì)、電子-聲子以及電子-電子之間的散射，把外加電場作為微擾展開分析，推導(dǎo)出理想晶體能帶中運(yùn)動的載流子擁有一個正比于貝里曲率的反常速度，這是由于運(yùn)動的載流子受到了自旋-軌道耦合作用導(dǎo)致的;而側(cè)向跳躍和斜散射主要是由于雜質(zhì)、聲子或者電子的散射造成的。側(cè)向跳躍指的是自旋角動量和軌道角動量

6、夾角的變化，使得載流子位移發(fā)生變化;斜散射指的是自旋-軌道耦合作用導(dǎo)致的非對稱動量的變化，即載流子運(yùn)動速度方向的改變。目前，有關(guān)反?；魻栃?yīng)的研究內(nèi)容大部分集中在單層磁性膜上，而界面勢壘與反?；魻栃?yīng)的關(guān)聯(lián)很少被關(guān)注，并且有人將雙載流子模型導(dǎo)致的非線性霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?yīng)混為一起，沒有區(qū)分開來。
　　基于以上研究現(xiàn)狀的分析，我們選擇了性能優(yōu)越、工藝成熟的Si基半導(dǎo)體材料，通過摻雜過渡金屬M(fèi)n元素制備了MnxSi1-x非晶半導(dǎo)體材

7、料，重點(diǎn)研究了Mn0.48Si0.52薄膜和Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的磁性與電輸運(yùn)性質(zhì)。Mn原子通常優(yōu)先占據(jù)Si材料的四面體晶格原子間的間隙位置，不僅提供局域的磁矩，還能提供空穴載流子，局域磁矩之間通過空穴載流子發(fā)生耦合作用(Mn2+有效磁矩大約為3μB)，從而形成了鐵磁相。界面的Rashba自旋-軌道耦合對Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的霍爾效應(yīng)影響較大，而Mn0.48Si

8、0.52薄膜和Si襯底雙載流子通道模型機(jī)制不能定性解釋樣品的霍爾效應(yīng)的形成機(jī)制。為了研究Si和Ge半導(dǎo)體材料的共性，我們還研究了(FeCo)0.67Ge0.33非晶磁性薄膜和(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結(jié)的電輸運(yùn)性質(zhì)。MnxSi1-x和(FeCo)0.67Ge0.33的電輸運(yùn)性質(zhì)對Si、Ge材料在自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景。
　　具體研究工作包括以下四個方面:
　　1.我們研究了高M(jìn)n含量的Mn

9、0.48Si0.52非晶半導(dǎo)體薄膜的磁性和反?；魻栃?yīng)，發(fā)現(xiàn)Mn0.48Si0.52薄膜在17K以下顯示弱的鐵磁性，17K以上顯示超順磁性，其反常霍爾系數(shù)正比于縱向電阻率表明反?；魻栃?yīng)起源于斜散射機(jī)制(見論文J.AlloysCompd.，2015，623:438)。為了克服熱平衡狀態(tài)下過渡金屬元素Mn在Si中溶解度低的難題，我們采用低溫非熱平衡的生長條件，在玻璃襯底和不同類型的Si(100)襯底上制備了不同厚度的高M(jìn)n含量的MnxSi

10、1-x非晶半導(dǎo)體薄膜。研究發(fā)現(xiàn)隨著Mn含量的增加，薄膜的磁性先增加后減小，其中Mn含量為48％的Mn0.48Si0.52薄膜的磁性最強(qiáng)。Mn0.48Si0.52薄膜在截止溫度17K以下顯示弱的鐵磁性，17K以上顯示超順磁性。20 nm以上的Mn0.48Si0.52薄膜的磁性不受膜厚和襯底類型的影響。玻璃襯底上制備的Mn0.48Si0.52薄膜，其電導(dǎo)率隨溫度的變化具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的金屬邊導(dǎo)電特性，理論擬合表明電導(dǎo)率隨溫度變化是由于電

11、子-電子相互作用、電子-聲子相互作用導(dǎo)致的;樣品的反常霍爾電阻率正比于磁化強(qiáng)度，表明其傳導(dǎo)載流子是自旋極化的;玻璃襯底上制備的Mn0.48Si0.52薄膜的反?；魻栂禂?shù)正比于縱向電阻率，表明反?；魻栃?yīng)的主要機(jī)理為斜散射機(jī)制。
　　2.重點(diǎn)研究了Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)和Mn0.48Si0.52/Si p-n異質(zhì)結(jié)的反?；魻栃?yīng)的增強(qiáng)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在200 K附近由于界面Rashba自旋-軌道耦合作用

12、變強(qiáng)，導(dǎo)致p-i-n和p-n異質(zhì)結(jié)的反常霍爾電阻率增強(qiáng)(見論文RSC Adv.，2016，6:55930)。在5～150 K溫區(qū)，Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的霍爾電阻率隨溫度升高逐漸減小，150 K幾乎變?yōu)榱?繼續(xù)升高溫度，霍爾電阻率由正變?yōu)樨?fù)，在150～200 K溫區(qū)，負(fù)的霍爾電阻率隨溫度升高而增大，在200 K時達(dá)到最大值;200～300 K溫區(qū)，霍爾電阻率隨溫度的升高逐漸變小。研究發(fā)現(xiàn)150 K以下

13、，Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的霍爾電阻率來自Mn0.48Si0.52薄膜本身的反?；魻栃?yīng);150 K以上，Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的界面勢壘高度變低，電子隧穿勢壘的幾率變大，界面Rashba自旋-軌道耦合作用變強(qiáng)，導(dǎo)致反常霍爾電阻率增大。去掉Si襯底表面的SiO2氧化層制備的Mn0.48Si0.52/Si樣品，界面勢壘高度進(jìn)一步降低，電子隧穿勢壘的幾率進(jìn)一步變大，Mn0

14、.48Si0.52/Si p-n結(jié)的界面Rashba自旋-軌道耦合作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致反常霍爾效應(yīng)的進(jìn)一步增強(qiáng)。我們也討論了Mn0.48Si0.52薄膜和Si襯底形成的雙載流子通道對霍爾效應(yīng)增強(qiáng)的影響，發(fā)現(xiàn)雙載流子通道模型不能定量解釋我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　3.進(jìn)一步研究了高載流子濃度的n-Si+SiO2和p-Si+SiO2襯底與Mn0.48Si0.52薄膜的界面勢壘對Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n和p-i-p異

15、質(zhì)結(jié)的霍爾效應(yīng)的影響。我們發(fā)現(xiàn)，在5～150 K低溫區(qū)域(5～180 K)，由于較高的界面勢壘如同良好的絕緣層導(dǎo)致Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)(p-i-p異質(zhì)結(jié))的霍爾電阻率主要來源于Mn0.48Si0.52薄膜本身的反?；魻栯娮杪?，與襯底無關(guān);而在150～300 K高溫區(qū)域(180～300K)，p-i-n異質(zhì)結(jié)(p-i-p異質(zhì)結(jié))的界面勢壘變低，載流子可以隧穿界面勢壘層，但是由于襯底分流效應(yīng)太強(qiáng)，掩蓋了界

16、面Rashba自旋-軌道耦合作用引起的反?；魻栃?yīng)的增強(qiáng)，所以高溫區(qū)域異質(zhì)結(jié)的霍爾信號主要來自襯底的正?；魻栃?yīng)。去除n型和p型Si襯底表面的SiO2氧化層后，Mn0.48Si0.52/n-Si p-n和p-p結(jié)的霍爾電阻率的形成機(jī)理與未去除SiO2氧化層的Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n和p-i-p異質(zhì)結(jié)的相同。在5～150 K低溫區(qū)域(p-p結(jié)在5～175 K)，Mn0.48Si0.52/Si p-n結(jié)的霍爾電阻

17、率來源于Mn0.48Si0.52薄膜本身的反常霍爾電阻率;在150～300K高溫區(qū)域(p-p結(jié)在175～300 K)，霍爾信號主要來自襯底的正常霍爾效應(yīng)。p型Si襯底表面的SiO2氧化層對Mn0.48Si0.52薄膜的霍爾效應(yīng)的大小沒有影響。
　　4.我們還系統(tǒng)研究了(FeCo)0.67Ge0.33非晶磁性薄膜和(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結(jié)的縱向電導(dǎo)、磁電阻以及霍爾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在鐵磁性(FeCo)0.67Ge0.

18、33薄膜和Ge襯底構(gòu)成的(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結(jié)中，界面的Rashba自旋-軌道耦合與雙導(dǎo)電通道都對非線性霍爾效應(yīng)有貢獻(xiàn)。絕緣玻璃襯底上制備的(FeCo)0.67Ge0.33薄膜，在5～300 K之間具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的金屬邊導(dǎo)電性質(zhì)，電導(dǎo)隨溫度的變化起源于電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用;(FeCo)0.67Ge0.33/glass樣品顯示了薄膜本身的反?；魻栃?yīng)，且樣品的霍爾靈敏度幾乎不隨溫度變化。在

19、p型Ge襯底上制備的(FeCo)0.67Ge0.33非晶磁性薄膜，形成了(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結(jié)。從5K開始升溫，(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結(jié)的縱向電導(dǎo)、磁電阻和霍爾電阻都隨著溫度的升高而增大，60 K時都達(dá)到最大值;繼續(xù)升溫，其值都減小，直到270 K時趨于最小值。低溫下p-p結(jié)的電輸運(yùn)性質(zhì)主要來源于(FeCo)0.67Ge0.33薄膜本身，這是因?yàn)榈蜏叵?FeCo)0.67Ge0.33/G

20、e p-p結(jié)的界面勢壘阻擋了(FeCo)0.67Ge0.33薄膜中的載流子進(jìn)入導(dǎo)電良好的Ge襯底;在60 K附近，縱向電導(dǎo)、磁電阻和霍爾電阻都出現(xiàn)極大的增強(qiáng)，這是由于(FeCo)0.67Ge0.33薄膜中的載流子透過(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結(jié)的界面勢壘進(jìn)入了Ge襯底引起的;在高溫區(qū)域，縱向電導(dǎo)、磁電阻以及霍爾電阻都變小，主要由于Ge襯底的分流作用引起的。另一方面，我們用(FeCo)0.67Ge0.33薄膜和Ge襯底