FeCo共摻Ge非晶磁性半導體的磁性和電輸運研究.pdf

1、當傳統(tǒng)微電子技術逐漸接近量子相干效應的極限時，量子效應對電子設備的設計是極大的挑戰(zhàn)。當人們試圖突破尺寸效應瓶頸，找到新制備技術、新材料、新構型設計的時候，很自然的就想到是否可以同時利用電子的電荷和自旋兩個自由度，即將記憶與邏輯整合在一個器件或一個芯片上，使其同時進行大規(guī)模的信息處理和存儲，從而進一步提高器件的性能，如提高處理速度、降低功耗、提高集成容量以及具有非易失性的儲存方式等，在此背景下，自旋電子學(Spintronics)應運而生

2、。自旋電子學的研究內(nèi)容主要包括自旋電流源產(chǎn)生、自旋注入、自旋傳輸、自旋檢測和自旋調(diào)控等。
　　目前人們對自旋電子器件的研究，主要有以下兩方面:一、以鐵磁材料為基礎的研究，主要包括對自旋相關的GMR、TMR效應的研究，例如已經(jīng)商用的磁傳感器、磁隨機存儲器、硬盤的讀頭、電隔離器等。二、以半導體材料為基礎的研究，如在半導體材料中引入自旋極化電流，制備出自旋晶體管(spin transistors)器件，以替代接近尺寸效應極限的傳統(tǒng)半導體

3、晶體管。截至目前，人們已經(jīng)提出多種方案試圖實現(xiàn)這類器件的應用，并且在自旋極化電流的注入、輸運以及探測等方面取得了許多進展，然而要真正實現(xiàn)基于半導體材料的自旋電子器件的廣泛應用，還面臨著很多問題，問題之一就是找到居里溫度高于室溫的自旋極化半導體材料（本征磁性半導體），以實現(xiàn)自旋向非磁性半導體的高效注入，而且與目前微電子工業(yè)集成電路相兼容。
　　上個世紀六、七十年代，人們發(fā)現(xiàn)了天然的磁性半導體材料，銪硫?qū)倩衔锖桶雽w尖晶石，但是因為

4、該材料居里溫度遠低于室溫、晶體生長工藝復雜、晶體結構與Si和GaAs等半導體存在較大差異、晶格不匹配等因素而被擱淺。后來受本征半導體可以摻雜成p-型或者n-型半導體的啟發(fā)，人們試圖把磁性元素引入到非磁性半導體中使其成為具有磁性的半導體材料。二十世紀八十年代，張立綱等人首次利用分子束外延方法制備出Mn摻雜的CdMnTe和ZnMnSeⅡ-Ⅵ族磁性半導體材料，隨后其他研究組也對該族材料展開了相關研究。然而Ⅱ-Ⅵ族磁性半導體材料很難摻雜成p-型

5、或n-型，并且該類材料中的磁交換相互作用通常表現(xiàn)為Mn-Mn局域磁矩的反鐵磁交換耦合，隨著溫度以及磁性離子濃度的變化而呈現(xiàn)出順磁、自旋玻璃和反鐵磁行為;而且，許多奇特的低溫磁光效應在室溫下也不復存在，所以沒有使用價值。二十世紀九十年代，日本的Ohno等人利用Mn摻雜Ⅲ-Ⅴ族半導體制備出InMnAs和GaMnAs等磁性半導體。盡管目前報道的GaMnAs居里溫度僅為200K，但是Ohno等人的工作重新激活了人們對磁性半導體的研究興趣，包括對

6、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族以及Ⅳ族磁性半導體的研究。其中，對Ⅳ族Ge基磁性半導體的研究始于Park的研究工作，2002年，Park等人首次利用低溫分子束外延技術制備了單晶MnxGe1-x磁性半導體，其居里溫度隨著Mn濃度的增加由25K線性增加到116K;并且可以通過外加門電壓調(diào)控載流子的濃度，進而調(diào)控樣品的磁性，這表明MnxGe1-x磁性半導體的磁性來源于自旋極化的空穴載流子，即樣品是本征磁性半導體。進一步理論預期Ge基磁性半導體的居里溫度有望

7、達到400K以上。更重要的是，Ge基磁性半導體與目前工業(yè)占主流的Si基處理技術有很好的兼容性，并且Ge的高電子、高空穴遷移率也讓Ge基磁性半導體成為制備高性能、低功耗自旋電子器件的首選，所以目前人們對Ge基磁性半導體的研究依然保持熱情。
　　為了實現(xiàn)自旋電子器件的室溫應用，人們在尋找磁性半導體的過程中，除了采取不同的生長方法（MBE生長、PLD生長、離子束注入、溶膠凝膠法等）以期制備出室溫下具有本征磁性、高飽和磁化強度的磁性半導體

8、材料之外，人們也嘗試在生長樣品過程中或生長后采取氫處理的辦法，如利用氫調(diào)控GaMnAs、GaMnN、ZnCoO以及Ⅳ族的SiMn等磁性半導體性能，以期增強樣品的鐵磁性或提高樣品的居里溫度。然而，氫在不同磁性半導體中的調(diào)控效果是不同的，有增強鐵磁性的，也有削弱鐵磁性的;同樣是增強鐵磁性，其內(nèi)在機理也各不相同。
　　雖然隨著樣品制備工藝及處理手段的進步，有些磁性半導體的居里溫度有所提高，磁化強度有所增強，但是居里溫度依然遠低于室溫;雖

9、然有些報道發(fā)現(xiàn)了居里溫度高于室溫、磁化強度較強的磁性半導體材料，但是這些物理參數(shù)往往源于熱平衡生長引起的第二相或者磁性團簇，真正具有室溫本征磁性的半導體材料不多。
　　基于以上研究現(xiàn)狀，采取非熱平衡制備條件，在純Ar以及Ar∶H混合氣體中，利用磁控濺射的方法制備了高FeCo含量的(FeCo)xGe1-x和(FeCo)xGe1-x-H非晶薄膜。采取靜態(tài)和動態(tài)磁測量相結合的方法，研究了加氫對非晶Ge基磁性半導體材料磁化強度和交換作用的

10、影響。還研究了非晶(FeCo)xGe1-x薄膜的電輸運性質(zhì)。本論文工作主要包含以下三方面:
　　一、成功制備了FeCo含量高的FeCoGe及FeCoGe-H非晶磁性半導體薄膜。為了克服熱平衡狀態(tài)下磁性元素溶解度低、易析出第二相或者產(chǎn)生團簇等問題，采取非熱平衡狀態(tài)條件下制備樣品;考慮到兩種磁性元素共摻雜有助于磁性半導體薄膜的穩(wěn)定性及磁性的增強，選擇了自旋極化率高、居里溫度高的FeCo過渡元素與Ⅳ族Ge基半導體進行共摻雜，利用磁控濺射

11、儀在玻璃基片上制備了FeCo含量高達70％的非晶Ge基磁性半導體薄膜(FeCo)xGe1-x和(FeCo)xGe1-x-H。X射線衍射儀的測試結果和電阻率與溫度依賴關系的擬合結果均表明的所有樣品為非晶。
　　二、發(fā)現(xiàn)氫摻雜可以大幅度增強非晶FeCoGe-H薄膜的磁性和交換作用。鑒于目前氫在不同磁性半導體中的調(diào)控效果和內(nèi)在機理各不相同，沒有統(tǒng)一定論，重點研究了氫在非晶Ge基磁性半導體中對磁性和交換作用的影響。采取靜態(tài)和動態(tài)磁測量相結

12、合的方法，研究了加氫對樣品磁化強度和交換作用的影響。超導量子干涉儀(SQUID)和鐵磁共振(FMR)的測試結果表明，(FeCo)xGe1--H薄膜的飽和磁化強度和交換作用均有顯著增強。室溫下，SQUID的測試結果給出，(FeCo)0.70Ge0.30-H薄膜的飽和磁化強度為567emu/cm3，而(FeCo)0.70Ge0.30的飽和磁化強度僅為330emu/cm3，前者是后者的1.72倍;FMR的測試結果給出，(FeCo)0.70Ge

13、0.30-H的交換勁度系數(shù)D值為176.2 meV·(A)，是(FeCo)0.70Ge0.30的1.56倍。還分析了(FeCo)xGe1-x-H薄膜樣品磁性和交換作用增強的機理，認為在Ge基內(nèi)部，間隙位的氫原子提供了局域的1s態(tài)電子，部分替代位的Fe(Co)原子提供了弱局域的載流子（類s、類p空穴），二者一起與Fe(Co)的3d電子進行強烈地雜化，通過s，p-d雜化建立起Fe(Co)原子之間更強的自旋-自旋交換作用，從而增強了(FeCo

14、)xGe1-x-H材料的本征鐵磁性。
　　三、研究了非晶(FeCo)xGe1-x薄膜的電輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)非晶(FeCo)xGe1-x薄膜的反?；魻栯娮杪逝c縱向電阻率之間不滿足通常的標度關系ρxys∝ρxxn(1＜n＜2)。目前，在一些磁性非均勻材料體系中，對反?；魻栃锢頇C制的解釋仍然存在爭議，研究了高FeCo含量的(FeCo)xGe1-x非晶薄膜的霍爾效應?；魻栃獪y量結果表明:7.6nm厚(FeCo)067Ge033薄膜的霍爾