鐵摻雜氧化銦鐵磁性半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)及性能研究.pdf

1、微電子學(xué)主要研究和利用電子作為電荷載體的輸運(yùn)性質(zhì)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石。然而，隨著集成化程度的提高，半導(dǎo)體器件的尺寸將進(jìn)入納米尺度，器件單位面積的能耗將急劇上升并導(dǎo)致嚴(yán)重的熱損傷問題的出現(xiàn)。另外，在納米尺度下，量子限域效應(yīng)將起主導(dǎo)作用，電子的能帶理論將不再完全適用。在這種情況下，人們開始關(guān)注電子的另一個(gè)內(nèi)稟屬性--自旋，希望能將電荷和自旋這兩個(gè)屬性同時(shí)加以利用，研制開發(fā)出一種新型的電子器件，該類器件與現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件相比，具有運(yùn)算速度更

2、快、器件尺寸更小、能耗更低、斷電信息不消失以及可用于量子計(jì)算等一系列的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)新興的研究領(lǐng)域即為自旋電子學(xué)，是近些年來(lái)發(fā)展非常迅速的一個(gè)研究方向。要實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的自旋電子器件，最首要的任務(wù)就是要開發(fā)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，為此，制備出具有室溫鐵磁性和高自旋極化度的鐵磁性半導(dǎo)體材料是非常關(guān)鍵的。 典型的鐵磁性半導(dǎo)體的制備方法是在現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料中進(jìn)行過渡金屬元素的摻雜，使之以替位摻雜的形式進(jìn)

3、入半導(dǎo)體的晶格，通過磁性離子之間的鐵磁耦合作用，使得半導(dǎo)體材料在原有帶隙的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步產(chǎn)生鐵磁性。20世紀(jì)90年代，Ohno等人在GaAs中成功實(shí)現(xiàn)了Mn摻雜，但其居里溫度最高只能達(dá)到170K，無(wú)法滿足器件的應(yīng)用需求。2000年，T.Dietl等人基于傳統(tǒng)的Zener模型通過理論計(jì)算預(yù)言了Mn摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體GaN及ZnO會(huì)具有居里溫度高于300K的鐵磁性，這一結(jié)果一經(jīng)報(bào)道，立即引發(fā)了人們對(duì)于氧化物基鐵磁性半導(dǎo)體的研究熱情，大量的實(shí)

4、驗(yàn)和理論工作陸續(xù)開展起來(lái)。研究最多的是ZnO和-TiO2體系，但不同研究組所報(bào)道的結(jié)果卻各不相同甚至互相矛盾，以致于直至現(xiàn)在，關(guān)于過渡會(huì)屬摻雜的氧化物體系中是否具有本征鐵磁性的問題仍然沒有定論。同時(shí)，對(duì)于過渡金屬摻雜的氧化銦體系而言，盡管目前對(duì)于該體系的研究尚處于起步階段，但文獻(xiàn)所報(bào)道的結(jié)果中大部分都發(fā)現(xiàn)了鐵磁性的存在，部分還發(fā)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)等獨(dú)特的性質(zhì)，且鐵元素在氧化銦基體中的溶解度高達(dá)20％。在這樣的背景下，同時(shí)結(jié)合氧化銦基體材料

5、所具有的優(yōu)良的光電特性及氣敏性質(zhì)，我們最終選擇了鐵摻雜氧化銦作為本論文的研究體系，并嘗試解決如下問題：鐵摻雜氧化銦中能否實(shí)現(xiàn)高溫本征鐵磁性?鐵磁性的來(lái)源是什么? 樣品的制備我們采用脈沖激光沉積的方法，實(shí)驗(yàn)所需要的陶瓷靶用固相反應(yīng)燒結(jié)的方法制備而成。我們首先在r向的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了多晶的鐵摻雜氧化銦薄膜樣品，X射線衍射表明樣品是沿（440）晶向擇優(yōu)生長(zhǎng)的織構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)鐵、鐵的氧化物以及其他銦鐵化合物的第二相，成分測(cè)試表明薄膜中鐵的

6、原子含量為7％，X射線光電子能譜表明鐵元素以離子形式存在，這說明鐵原子以替位摻雜的形式進(jìn)入了氧化銦的晶格。透射電鏡所給出的結(jié)果表明，晶格整齊有序排列，未發(fā)現(xiàn)第二相存在的跡象；薄膜的生長(zhǎng)呈現(xiàn)柱狀生長(zhǎng)模式，柱狀晶粒的大小在200nm左右；鐵元素在薄膜的生長(zhǎng)方向分布均勻，而在沿薄膜和襯底的界面方向分布不均勻，有貧鐵區(qū)的間隔存在，且貧鐵區(qū)所對(duì)應(yīng)的剛好是柱狀晶粒的邊界。磁性測(cè)量表明，樣品的居里溫度高達(dá)927K，顯示出強(qiáng)的垂直膜面磁各向異性。磁場(chǎng)垂

7、直膜面時(shí)，樣品的飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)1.35μB/Fe。927K的居里溫度說明摻雜的鐵離子之間具有很強(qiáng)的間接交換作用。強(qiáng)磁各向異性可能是由樣品內(nèi)部晶場(chǎng)勢(shì)與自旋軌道耦合共同作用的結(jié)果，可以作為本征鐵磁性的非常重要的依據(jù)。我們認(rèn)為該磁垂直各向異性與樣品沿（440）方向擇優(yōu)的柱狀生長(zhǎng)模式相關(guān)。 隨后，我們又在YSZ（100）襯底上首次嘗試了鐵摻雜氧化鋼薄膜的外延生長(zhǎng)。樣品的整個(gè)生長(zhǎng)過程都用RHEED監(jiān)控，RHEED圖像一直顯示尖銳條紋，沒

8、有雜點(diǎn)出現(xiàn)，XRD的θ-2θ只觀察到了In2O3（400）、（600）、（800）三個(gè)峰，說明我們成功實(shí)現(xiàn)了鐵摻雜氧化銦薄膜的外延生長(zhǎng)。AFM測(cè)試結(jié)果顯示薄膜樣品的生長(zhǎng)為垂直于襯底表面的柱狀生長(zhǎng)模式，柱狀晶粒大小約為200nm。磁性能測(cè)試表明，外延生長(zhǎng)的鐵摻雜氧化鋼薄膜具有更強(qiáng)的磁垂直各向異性。這樣，我們進(jìn)一步驗(yàn)證了鐵摻雜氧化銦薄膜中的磁垂直各向異性是與樣品結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)稟機(jī)制。 為了進(jìn)一步深入的探討該鐵磁性的來(lái)源，我們分別通過在

9、樣品中進(jìn)行不同濃度的Sn摻雜改變樣品內(nèi)的載流子濃度、及改變生長(zhǎng)過程中的氧氣氛和后續(xù)退火改變樣品內(nèi)氧空位的濃度來(lái)觀察樣品的鐵磁性會(huì)有怎樣的變化。結(jié)果表明，在樣品中進(jìn)行Sn摻雜后，雖然樣品內(nèi)部的載流子濃度大幅度提高了，但是鐵磁性卻基本沒有受到影響。而在改變生長(zhǎng)過程中的氧氣氛后，樣品的鐵磁性發(fā)生了很明顯的改變。樣品的鐵磁性隨氧氣壓呈非單調(diào)的變化，在最優(yōu)化的生長(zhǎng)氧分壓下，樣品的鐵磁性最強(qiáng)。后續(xù)的在真空和空氣中的交替退火同樣也成功的調(diào)控了鐵磁性，

10、使得鐵磁性能夠在高磁矩狀態(tài)和低磁矩狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)化，并且樣品的磁垂直各向異性不隨著反復(fù)退火而消失。這說明，氧空位的濃度對(duì)鐵摻雜氧化銦的鐵磁性有嚴(yán)重的影響和調(diào)控制、可后控作用。最后，根據(jù)所得到的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)，我們對(duì)Coey所提出的束縛磁極化子模型進(jìn)行了必要的修正，比較好的解釋了鐵摻雜氧化銦薄膜中鐵磁性的作用機(jī)理。 總之，本論文的研究工作主要取得了如下成果： 第一，用脈沖激光沉積的方法成功制備了具有高溫鐵磁性（Tc

11、=927K）以及強(qiáng)垂直磁各向異性的沿（440）方向的織構(gòu)鐵摻雜氧化銦薄膜。該鐵磁性與雜質(zhì)相無(wú)關(guān)，是鐵摻雜進(jìn)入氧化銦品格之后引起的一種本征的鐵磁性。 第二，成功實(shí)現(xiàn)了鐵摻雜氧化銦薄膜的外延生長(zhǎng)，該外延薄膜具有更強(qiáng)的磁垂直各向異性，進(jìn)一步驗(yàn)證了該鐵磁性是與結(jié)構(gòu)相關(guān)的本征鐵磁性。 第三，獲得了較高的飽和磁化強(qiáng)度，在最佳情況下，樣品的平均原子磁矩接近3μB/Fe。 第四，系統(tǒng)的研究了鐵摻雜氧化銦薄膜中的鐵磁性與普通載流子