鐵摻雜氧化銦外延薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理與物性研究.pdf

1、隨著微電子技術(shù)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(yùn)性質(zhì)的微電子學(xué)面臨著各種困難，比如器件的量子效應(yīng)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(shí)利用電子的電荷和自旋兩種屬性的學(xué)科——自旋電子學(xué)在上世紀(jì)八十年代便應(yīng)運(yùn)而生了。實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的理想途徑是制備出一種既具有半導(dǎo)體的帶隙，又具有磁性材料的自旋子帶劈裂的新材料，而過(guò)渡金屬元素?fù)诫s的稀磁半導(dǎo)體正好符合這一新型器

2、件的要求。
　　 在過(guò)去的幾十年中，稀磁半導(dǎo)體因其具有新奇的物理性質(zhì)和在自旋電子學(xué)器件上的應(yīng)用潛力而受到了極大的關(guān)注。很多材料體系的稀磁半導(dǎo)體，如ZnO、TiO2、SnO2、In2O3、GaAs和GeMn都被進(jìn)行了廣泛的研究。在各種氧化物稀磁半導(dǎo)體中，過(guò)渡金屬摻雜的In2O3由于它優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)引起了人們濃厚的研究興趣，很多實(shí)驗(yàn)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(guò)渡金屬元素

3、中，F(xiàn)e元素有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镕e3+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(dá)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(dǎo)體。關(guān)于Fe摻雜In2O3薄膜的一些研究工作已經(jīng)報(bào)道了它的高溫鐵磁性，并通過(guò)觀察到的反常霍爾效應(yīng)揭示了材料中載流子的自旋極化。這些研究結(jié)果都表明Fe摻雜In2O3是一種很有希望應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件的鐵磁性半導(dǎo)體，因此本論文選取Fe摻雜In2O3薄膜作為研究鐵磁性半導(dǎo)體的

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

5、雜In2O3薄膜的性質(zhì)的影響:(1)薄膜的生長(zhǎng)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(guò)對(duì)所有樣品的測(cè)試與分析，發(fā)現(xiàn)這三個(gè)因素對(duì)Fe摻雜In2O3薄膜的性質(zhì)分別有以下影響:
　　 (1)在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著薄膜生長(zhǎng)溫度的升高，更多摻入的Fe離子將會(huì)以取代In離子的形式進(jìn)入In2O3的晶格，薄膜的本征鐵磁性增強(qiáng)。同時(shí)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，但由連續(xù)生長(zhǎng)趨向于島狀生長(zhǎng)，導(dǎo)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(zhǎng)，薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌都有所改善，但光學(xué)和電學(xué)方面的性質(zhì)相對(duì)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(zhuǎn)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(zhì)量、光學(xué)性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合修正的束縛磁