鐵摻雜氧化銦外延薄膜的生長機理與物性研究.pdf

1、隨著微電子技術和集成電路工藝的飛速發(fā)展，器件尺寸不斷減小，以電子作為電荷載體、研究器件輸運性質的微電子學面臨著各種困難，比如器件的量子效應和單位面積發(fā)熱量激增。為了克服這些困難，制備出性能更優(yōu)異的電子器件，一門研究同時利用電子的電荷和自旋兩種屬性的學科——自旋電子學在上世紀八十年代便應運而生了。實現(xiàn)自旋電子器件的理想途徑是制備出一種既具有半導體的帶隙，又具有磁性材料的自旋子帶劈裂的新材料，而過渡金屬元素摻雜的稀磁半導體正好符合這一新型器

2、件的要求。
　　 在過去的幾十年中，稀磁半導體因其具有新奇的物理性質和在自旋電子學器件上的應用潛力而受到了極大的關注。很多材料體系的稀磁半導體，如ZnO、TiO2、SnO2、In2O3、GaAs和GeMn都被進行了廣泛的研究。在各種氧化物稀磁半導體中，過渡金屬摻雜的In2O3由于它優(yōu)異的光學和電學性質引起了人們濃厚的研究興趣，很多實驗已在Fe、Co、Ni和Cr摻雜的In2O3中觀察到了室溫下的鐵磁性。在這些用于摻雜的過渡金屬元素

3、中，F(xiàn)e元素有著獨特的優(yōu)勢，因為Fe3+離子具有較大的磁矩，并且Fe離子在In2O3晶格中的溶解度高達20％。以上這些條件使得Fe摻雜In2O3成為了一種吸引人的稀磁半導體。關于Fe摻雜In2O3薄膜的一些研究工作已經(jīng)報道了它的高溫鐵磁性，并通過觀察到的反?；魻栃沂玖瞬牧现休d流子的自旋極化。這些研究結果都表明Fe摻雜In2O3是一種很有希望應用于自旋電子學器件的鐵磁性半導體，因此本論文選取Fe摻雜In2O3薄膜作為研究鐵磁性半導體的

4、對象。
　　 由于Fe摻雜In2O3薄膜對生長方法和生長條件極為敏感，不同生長條件下制備出的薄膜其性質有可能差異很大，所以研究Fe摻雜In2O3薄膜的物理性質隨生長條件的變化規(guī)律是十分重要的。同時，為了使Fe摻雜In2O3薄膜更具有可用性，通過適當?shù)姆绞礁纳扑慕Y構、形貌和應用方面的性質也有著很大的意義。基于這兩點考慮，本論文用脈沖激光沉積方法在YSZ襯底上生長Fe摻雜In2O3外延薄膜，并通過改變以下三個因素來研究它們對Fe摻

5、雜In2O3薄膜的性質的影響:(1)薄膜的生長溫度;(2)薄膜的厚度;(3)摻入到Fe摻雜In2O3薄膜中的Sn元素的含量。
　　 通過對所有樣品的測試與分析，發(fā)現(xiàn)這三個因素對Fe摻雜In2O3薄膜的性質分別有以下影響:
　　 (1)在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著薄膜生長溫度的升高，更多摻入的Fe離子將會以取代In離子的形式進入In2O3的晶格，薄膜的本征鐵磁性增強。同時薄膜的結晶質量提高，但由連續(xù)生長趨向于島狀生長，導電性下

6、降。
　　 (2)在一定的厚度范圍內(nèi)，隨著薄膜厚度的增長，薄膜的結構和形貌都有所改善，但光學和電學方面的性質相對變差。變化最顯著的是薄膜的磁各向異性，磁化易軸由平行于薄膜表面轉變?yōu)榱舜怪庇诒∧け砻妗?br>　　 (3)在有Sn摻入的Fe摻雜In2O3薄膜中，隨著Sn摻雜濃度的增大，薄膜的表面形貌得到顯著改善，晶體質量、光學性質和輸運性質也都有較大提高。而薄膜的鐵磁性并沒有隨著Sn的摻雜發(fā)生明顯變化，這一實驗現(xiàn)象符合修正的束縛磁