FeCo共摻Ge非晶磁性半導(dǎo)體的磁性和電輸運研究.pdf

1、當傳統(tǒng)微電子技術(shù)逐漸接近量子相干效應(yīng)的極限時，量子效應(yīng)對電子設(shè)備的設(shè)計是極大的挑戰(zhàn)。當人們試圖突破尺寸效應(yīng)瓶頸，找到新制備技術(shù)、新材料、新構(gòu)型設(shè)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(yīng)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(chǔ)的研究，主要包括對自旋相關(guān)的GMR、TMR效應(yīng)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(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的研究，如在半導(dǎo)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(yīng)極限的傳統(tǒng)半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體材料的自旋電子器件的廣泛應(yīng)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(dǎo)體材料（本征磁性半導(dǎo)體），以實現(xiàn)自旋向非磁性半導(dǎo)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(dǎo)體材料，銪硫?qū)倩衔锖桶雽?dǎo)體尖晶石，但是因為

4、該材料居里溫度遠低于室溫、晶體生長工藝復(fù)雜、晶體結(jié)構(gòu)與Si和GaAs等半導(dǎo)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(dǎo)體可以摻雜成p-型或者n-型半導(dǎo)體的啟發(fā)，人們試圖把磁性元素引入到非磁性半導(dǎo)體中使其成為具有磁性的半導(dǎo)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(dǎo)體材料，隨后其他研究組也對該族材料展開了相關(guān)研究。然而Ⅱ-Ⅵ族磁性半導(dǎo)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(yīng)在室溫下也不復(fù)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(dǎo)體制備出InMnAs和GaMnAs等磁性半導(dǎo)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(dǎo)體的研究興趣，包括對

6、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族以及Ⅳ族磁性半導(dǎo)體的研究。其中，對Ⅳ族Ge基磁性半導(dǎo)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(shù)制備了單晶MnxGe1-x磁性半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體。進一步理論預(yù)期Ge基磁性半導(dǎo)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(dǎo)體與目前工業(yè)占主流的Si基處理技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用，人們在尋找磁性半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)合的方法，研究了加氫對非晶Ge基磁性半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體薄膜(FeCo)xGe1-x和(FeCo)xGe1-x-H。X射線衍射儀的測試結(jié)果和電阻率與溫度依賴關(guān)系的擬合結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)

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(dǎo)量子干涉儀(SQUID)和鐵磁共振(FMR)的測試結(jié)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(jié)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(jié)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(guān)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?yīng)物理機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(yīng)?；魻栃?yīng)測量結(jié)果表明:7.6nm厚(FeCo)067Ge033薄膜的霍爾