Ⅳ族非晶半導體薄膜的磁性與電輸運研究.pdf

1、隨著微電子技術的迅速發(fā)展，半導體芯片的集成度正以摩爾定律預言的速度向前發(fā)展，隨之給器件設計帶來了新的瓶頸——芯片功耗、量子尺寸效應等問題。眾所周知，傳統(tǒng)微電子學只利用了電子的電荷屬性，為了突破這一新的瓶頸，人們想到同時利用電荷與自旋兩個自由度，引進新的信息處理、傳輸以及存儲方法，來實現(xiàn)小型化、高速度、低能耗、高集成度等多功能的電子器件，于是自旋電子學應運而生。
　　在自旋電子學中，自旋-軌道耦合作用(Spin-orbit Coup

2、ling，SOC)占有重要地位，它是調控電子自旋的一種有效方法，而且在自旋電子學器件方面具有潛在應用價值，比如自旋場效應管、自旋干涉儀以及自旋濾波器等。根據(jù)材料所受力的性質和材料結構的對稱性，自旋-軌道耦合作用可以分為Dresselhaus自旋-軌道耦合和Rashba自旋-軌道耦合。Dresselhaus SOC主要是由于材料的體反演非對稱導致導帶有一個自旋-軌道耦合引起的劈裂，從而形成兩個子能帶，表現(xiàn)了材料的體效應;Rashba SO

3、C是由于結構反演非對稱造成的，這種不對稱導致了能帶傾斜，其大小與電勢梯度成正比。Rashba SOC又分兩種，一種與材料的表面或者界面有關，一種是利用外加電場來調控界面的自旋-軌道耦合強度。對于電子自旋的調控，Rashba自旋-軌道耦合提供了一個很好的方法。近年來，自旋霍爾效應(Spin Hall Effect，SHE)、拓撲絕緣體、Skyrmion晶格、反?；魻栃?Anomalous Hall Effect，AHE)等與自旋-軌道耦

4、合相關的物理效應被廣泛關注，這些效應進一步催生了自旋電子學器件的新型結構和新穎功能。
　　在磁性半導體材料中，與自旋-軌道耦合作用相關的一種重要電磁學效應是反常霍爾效應，它不同于正常霍爾效應(Ordinary Hall Effect，OHE)。正常霍爾電阻率與外磁場成正比，由洛倫茲力導致的;而反?；魻栯娮杪逝c材料的磁化強度成正比，由載流子的自旋極化和自旋-軌道耦合作用決定的。反?；魻栃男纬蓹C理包括內(nèi)稟機制和外稟機制，外稟機制又

5、包括側向跳躍(Side-jump)和斜散射(Skew Scattering)兩種。1954年Karplus首次提出了反?；魻栃膬?nèi)稟機制，當時他完全忽略了雜質、電子-聲子以及電子-電子之間的散射，把外加電場作為微擾展開分析，推導出理想晶體能帶中運動的載流子擁有一個正比于貝里曲率的反常速度，這是由于運動的載流子受到了自旋-軌道耦合作用導致的;而側向跳躍和斜散射主要是由于雜質、聲子或者電子的散射造成的。側向跳躍指的是自旋角動量和軌道角動量

6、夾角的變化，使得載流子位移發(fā)生變化;斜散射指的是自旋-軌道耦合作用導致的非對稱動量的變化，即載流子運動速度方向的改變。目前，有關反?；魻栃难芯績?nèi)容大部分集中在單層磁性膜上，而界面勢壘與反?；魻栃年P聯(lián)很少被關注，并且有人將雙載流子模型導致的非線性霍爾效應和反?；魻栃鞛橐黄?，沒有區(qū)分開來。
　　基于以上研究現(xiàn)狀的分析，我們選擇了性能優(yōu)越、工藝成熟的Si基半導體材料，通過摻雜過渡金屬Mn元素制備了MnxSi1-x非晶半導體材

7、料，重點研究了Mn0.48Si0.52薄膜和Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結的磁性與電輸運性質。Mn原子通常優(yōu)先占據(jù)Si材料的四面體晶格原子間的間隙位置，不僅提供局域的磁矩，還能提供空穴載流子，局域磁矩之間通過空穴載流子發(fā)生耦合作用(Mn2+有效磁矩大約為3μB)，從而形成了鐵磁相。界面的Rashba自旋-軌道耦合對Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結的霍爾效應影響較大，而Mn0.48Si

8、0.52薄膜和Si襯底雙載流子通道模型機制不能定性解釋樣品的霍爾效應的形成機制。為了研究Si和Ge半導體材料的共性，我們還研究了(FeCo)0.67Ge0.33非晶磁性薄膜和(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結的電輸運性質。MnxSi1-x和(FeCo)0.67Ge0.33的電輸運性質對Si、Ge材料在自旋電子學器件的應用具有很好的發(fā)展前景。
　　具體研究工作包括以下四個方面:
　　1.我們研究了高Mn含量的Mn

9、0.48Si0.52非晶半導體薄膜的磁性和反?；魻栃?，發(fā)現(xiàn)Mn0.48Si0.52薄膜在17K以下顯示弱的鐵磁性，17K以上顯示超順磁性，其反常霍爾系數(shù)正比于縱向電阻率表明反?；魻栃鹪从谛鄙⑸錂C制(見論文J.AlloysCompd.，2015，623:438)。為了克服熱平衡狀態(tài)下過渡金屬元素Mn在Si中溶解度低的難題，我們采用低溫非熱平衡的生長條件，在玻璃襯底和不同類型的Si(100)襯底上制備了不同厚度的高Mn含量的MnxSi

10、1-x非晶半導體薄膜。研究發(fā)現(xiàn)隨著Mn含量的增加，薄膜的磁性先增加后減小，其中Mn含量為48％的Mn0.48Si0.52薄膜的磁性最強。Mn0.48Si0.52薄膜在截止溫度17K以下顯示弱的鐵磁性，17K以上顯示超順磁性。20 nm以上的Mn0.48Si0.52薄膜的磁性不受膜厚和襯底類型的影響。玻璃襯底上制備的Mn0.48Si0.52薄膜，其電導率隨溫度的變化具有金屬-絕緣體轉變的金屬邊導電特性，理論擬合表明電導率隨溫度變化是由于電

11、子-電子相互作用、電子-聲子相互作用導致的;樣品的反?；魻栯娮杪收扔诖呕瘡姸?，表明其傳導載流子是自旋極化的;玻璃襯底上制備的Mn0.48Si0.52薄膜的反?；魻栂禂?shù)正比于縱向電阻率，表明反?；魻栃闹饕獧C理為斜散射機制。
　　2.重點研究了Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結和Mn0.48Si0.52/Si p-n異質結的反?；魻栃脑鰪娦?，發(fā)現(xiàn)在200 K附近由于界面Rashba自旋-軌道耦合作用

12、變強，導致p-i-n和p-n異質結的反?；魻栯娮杪试鰪?見論文RSC Adv.，2016，6:55930)。在5～150 K溫區(qū)，Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結的霍爾電阻率隨溫度升高逐漸減小，150 K幾乎變?yōu)榱?繼續(xù)升高溫度，霍爾電阻率由正變?yōu)樨?，?50～200 K溫區(qū)，負的霍爾電阻率隨溫度升高而增大，在200 K時達到最大值;200～300 K溫區(qū)，霍爾電阻率隨溫度的升高逐漸變小。研究發(fā)現(xiàn)150 K以下

13、，Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結的霍爾電阻率來自Mn0.48Si0.52薄膜本身的反?；魻栃?150 K以上，Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結的界面勢壘高度變低，電子隧穿勢壘的幾率變大，界面Rashba自旋-軌道耦合作用變強，導致反?；魻栯娮杪试龃蟆Ｈサ鬝i襯底表面的SiO2氧化層制備的Mn0.48Si0.52/Si樣品，界面勢壘高度進一步降低，電子隧穿勢壘的幾率進一步變大，Mn0

14、.48Si0.52/Si p-n結的界面Rashba自旋-軌道耦合作用增強，從而導致反?；魻栃倪M一步增強。我們也討論了Mn0.48Si0.52薄膜和Si襯底形成的雙載流子通道對霍爾效應增強的影響，發(fā)現(xiàn)雙載流子通道模型不能定量解釋我們的實驗結果。
　　3.進一步研究了高載流子濃度的n-Si+SiO2和p-Si+SiO2襯底與Mn0.48Si0.52薄膜的界面勢壘對Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n和p-i-p異

15、質結的霍爾效應的影響。我們發(fā)現(xiàn)，在5～150 K低溫區(qū)域(5～180 K)，由于較高的界面勢壘如同良好的絕緣層導致Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n異質結(p-i-p異質結)的霍爾電阻率主要來源于Mn0.48Si0.52薄膜本身的反?；魻栯娮杪?，與襯底無關;而在150～300 K高溫區(qū)域(180～300K)，p-i-n異質結(p-i-p異質結)的界面勢壘變低，載流子可以隧穿界面勢壘層，但是由于襯底分流效應太強，掩蓋了界

16、面Rashba自旋-軌道耦合作用引起的反常霍爾效應的增強，所以高溫區(qū)域異質結的霍爾信號主要來自襯底的正?；魻栃?。去除n型和p型Si襯底表面的SiO2氧化層后，Mn0.48Si0.52/n-Si p-n和p-p結的霍爾電阻率的形成機理與未去除SiO2氧化層的Mn0.48Si0.52/SiO2/Si p-i-n和p-i-p異質結的相同。在5～150 K低溫區(qū)域(p-p結在5～175 K)，Mn0.48Si0.52/Si p-n結的霍爾電阻

17、率來源于Mn0.48Si0.52薄膜本身的反?；魻栯娮杪?在150～300K高溫區(qū)域(p-p結在175～300 K)，霍爾信號主要來自襯底的正?；魻栃?。p型Si襯底表面的SiO2氧化層對Mn0.48Si0.52薄膜的霍爾效應的大小沒有影響。
　　4.我們還系統(tǒng)研究了(FeCo)0.67Ge0.33非晶磁性薄膜和(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結的縱向電導、磁電阻以及霍爾效應，發(fā)現(xiàn)在鐵磁性(FeCo)0.67Ge0.

18、33薄膜和Ge襯底構成的(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結中，界面的Rashba自旋-軌道耦合與雙導電通道都對非線性霍爾效應有貢獻。絕緣玻璃襯底上制備的(FeCo)0.67Ge0.33薄膜，在5～300 K之間具有金屬-絕緣體轉變的金屬邊導電性質，電導隨溫度的變化起源于電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用;(FeCo)0.67Ge0.33/glass樣品顯示了薄膜本身的反?；魻栃覙悠返幕魻栰`敏度幾乎不隨溫度變化。在

19、p型Ge襯底上制備的(FeCo)0.67Ge0.33非晶磁性薄膜，形成了(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結。從5K開始升溫，(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結的縱向電導、磁電阻和霍爾電阻都隨著溫度的升高而增大，60 K時都達到最大值;繼續(xù)升溫，其值都減小，直到270 K時趨于最小值。低溫下p-p結的電輸運性質主要來源于(FeCo)0.67Ge0.33薄膜本身，這是因為低溫下(FeCo)0.67Ge0.33/G

20、e p-p結的界面勢壘阻擋了(FeCo)0.67Ge0.33薄膜中的載流子進入導電良好的Ge襯底;在60 K附近，縱向電導、磁電阻和霍爾電阻都出現(xiàn)極大的增強，這是由于(FeCo)0.67Ge0.33薄膜中的載流子透過(FeCo)0.67Ge0.33/Ge p-p結的界面勢壘進入了Ge襯底引起的;在高溫區(qū)域，縱向電導、磁電阻以及霍爾電阻都變小，主要由于Ge襯底的分流作用引起的。另一方面，我們用(FeCo)0.67Ge0.33薄膜和Ge襯底