Fe(Cu)摻雜Ge(Si)基稀磁半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)及磁性研究.pdf

1、在當(dāng)今信息高速發(fā)展的時代，信息傳輸和存儲仍然是通過傳統(tǒng)的方法—分別控制電子的電荷和電子的自旋來實現(xiàn)。隨著人們對信息量需求的日益增大，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和鐵磁體獨立工作帶來的不足，越來越凸顯出來，集電子的電荷和自旋于一體的稀釋磁性半導(dǎo)體材料已成為當(dāng)前最令人感興趣的研究領(lǐng)域。稀釋磁性半導(dǎo)體由于過渡族或稀土族磁性元素的摻入，使得該類材料與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體相比，出現(xiàn)了許多奇異特性，具備良好的應(yīng)用前景。
　　 Mn摻雜Ⅳ族基稀磁半導(dǎo)體的理論研究和實

2、驗進展都已取得了可喜成果，但是關(guān)于其磁性起源和具體器件的應(yīng)用還有待更進一步的研究。本工作選取了過渡族元素Fe和Cu，對Si/Ge基半導(dǎo)體摻雜，具體工作如下：
　　 1.用磁控濺射法在Si基底上制備了Fe摻雜Ge1-xFex系列薄膜，基底溫度為473 K，經(jīng)873 K真空后退火20 min得到樣品。X射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)檢測顯示所有樣品具有Ge的立方結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相。樣品中的Fe主要以Fe2+離子形式存在，同時含有少量的

3、Fe0；Ge元素主要以Ge0形式存在于樣品，含有少量的Ge-O鍵和Ge-Fe鍵。Fe摻雜濃度為11.3％樣品中有Fe3+離子存在。磁性測量顯示樣品在低溫下具有弱的鐵磁性，居里溫度約為300 K，鐵磁性來源于隨機分布的磁性Fe原子。
　　 2.用金屬蒸發(fā)真空弧和考夫曼離子注入技術(shù)，在n-Si(100)基片中共注入Fe、N離子，制備Fe、N共摻的Si(Fe,N)薄膜樣品。X射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)分析表明，離子注入沒有改變基底的立方晶

4、格結(jié)構(gòu)，也沒有形成其他雜質(zhì)第二相。X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)表明低注入劑量樣品中Fe離子處于替代位，高劑量注入樣品中有FeSi2化合物形成。磁力顯微鏡(MFM)觀察到磁疇結(jié)構(gòu)，磁性測量顯示低注入劑量(2.0×1016 cm-2)樣品有最大磁矩約0.46 μB/Fe，原位退火和后退火都減弱了樣品的鐵磁性。Hall測量顯示樣品是n型傳導(dǎo)，飽和磁化強度隨著電子載流子濃度的增大而減小。樣品的磁性不依賴于載流子，而是來源于處于替代位的Fe磁性

5、原子。
　　 3.用金屬蒸發(fā)真空弧離子注入技術(shù)，在n-Si(100)基片中注入Cu離子得到Si:Cu薄膜。X射線衍射(XRD)測量顯示不同劑量的Cu離子注入后樣品均由單晶Si變?yōu)槎嗑i晶格結(jié)構(gòu)，同時有Cu間隙、Si間隙和Si空位等缺陷形成，但是沒有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相。常注入態(tài)樣品中，Cu以Cu+離子形式存在，經(jīng)N2氣氛圍快速熱退火后，有少部分Cu2+離子出現(xiàn)。Hall效應(yīng)測量表明Cu+離子注入使得Si母體由n型傳導(dǎo)變?yōu)閜型。磁性測