高遷移率半導體材料的自旋注入.pdf

1、自旋電子學的目標是在半導體或金屬體系中通過操控電子的自旋屬性來實現(xiàn)信息的記錄、操控、運輸和存儲等。做為向半導體和金屬寫入和輸運自旋信息的核心步驟，自旋注入效應是研發(fā)半導體和金屬基自旋電子器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文利用磁控濺射技術(shù)制備了不同結(jié)構(gòu)的磁性金屬薄膜或磁性金屬薄膜/半導體復合材料，利用紫外曝光等微加工手段制備了三端口自旋注入結(jié)構(gòu)，并對其磁電運輸性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究。具體結(jié)果如下:
　　首先，我們在高遷移率材料InAs襯底上制備

2、了Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs薄膜，利用四端法測量非局域幾何磁電阻。結(jié)果顯示，引起非局域幾何磁電阻(MR)的物理起源是磁場導致的洛倫茲力。在高磁場的情況下，Hall角度接近90度，電流密度幾乎與InAs/CoFeB界面平行，此時電流幾乎被限制在InAs中輸運。通過制備Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs這一簡單體系來研究體系中的自旋在界面處發(fā)生轉(zhuǎn)移或者散射的具體形式

3、以及轉(zhuǎn)移的自旋對體系電荷輸運性質(zhì)的影響?？墒筊u(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs薄膜中產(chǎn)生MR和翻轉(zhuǎn)磁化狀態(tài)。又由于半導體InAs的電阻率甚高，導致Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs結(jié)構(gòu)中MR效應將特別顯著。該器件的MR與磁場依賴關(guān)系的斜率在線性MR區(qū)域，可從局域MR的12.6 T-1增加到非局域MR的45.3 T-1。而且?guī)缀蜯R的測量值可達104％量級。這些特性對該器

4、件應用于高場傳感器領(lǐng)域非常具有吸引力，該工作也為高磁場探測器的設(shè)計提了新思路。
　　其次，我們利用磁控濺射技術(shù)在Si/SiO2(500nm)上生長了Pt(5nm)/Co(0.8nm)/AlOx(2nm)超順磁薄膜。通過控制柵極電壓的極性和大小，可方便地控制Co氧化還原反應的進度，進而控制超順磁Co顆粒的大小以及薄膜的超順磁特性。通過XPS發(fā)現(xiàn)陽極上Co的氧化還原反應的可調(diào)性。這些發(fā)現(xiàn)對設(shè)計基于超順磁顆粒薄膜的高密度，低功耗和非易失

5、新型磁存儲器件提供了全新思路。
　　同時，我們已成功地通過肖特基結(jié)將自旋注入到寬帶隙半導體SiC中。測得SiC自旋弛豫壽命長達300ps。通過輸運機理分析表明，載流子在肖特基結(jié)的隧穿過程為多步隧穿。在多步隧穿階段，可利用缺陷態(tài)捕獲自旋極化載流子，非平衡自旋將會在這些缺陷態(tài)上弛豫。體區(qū)自旋弛豫時間較缺陷態(tài)自旋弛豫時間更短，而缺陷態(tài)自旋馳豫壽命可達1ns以上。這表明為了準確測量體區(qū)自旋弛豫壽命，應盡量避免界面態(tài)參與的輸運過程。在直接隧

6、穿過程中測得的自旋弛豫壽命更能反映半導體材料的本征屬性。
　　最后，為了研究半導體器件的光電性質(zhì)，我們在納米圖型化和超寬頻磁電特性測量系統(tǒng)中設(shè)計和集成了光場發(fā)生與響應裝置。該裝置可以向掃描電子顯微鏡的腔體中引入各種波長的光。對于沒有磁場、電場和探針系統(tǒng)的基本電子束曝光系統(tǒng)，光場引入非常簡單。但是當上述三個子系統(tǒng)，特別是磁場發(fā)生裝置和探針系統(tǒng)，均被集成到腔體中時，要想再通過一支新的探針引入光場就變得非常困難。這里還需指出，盡管光纖很

7、細，但光纖頭卻相對粗壯，因此引導光纖的探針必然也會相對粗壯，這樣它才能具備必要的機械強度來支撐光纖頭。在該系統(tǒng)的具體實現(xiàn)中，為了節(jié)約空間，我們巧妙地將光纖頭固定在磁場發(fā)生裝置的磁極上。這種設(shè)計一則能保證固定光纖頭所需要的機械強度;再則剛好可將光束引入到樣品臺正中間，磁場發(fā)生裝置的磁極在工作狀態(tài)時恰好被安放在樣品臺中心位置。三則還能極大地節(jié)省寶貴的腔體空間，可謂一舉三得。
　　上述研究工作對半導體自旋電子器件、新型磁傳感器以及磁存儲