（材料物理與化學(xué)專業(yè)論文）Fe摻雜Inlt2gtOlt3gt室溫磁性半導(dǎo)體.pdf

山東大學(xué)博士學(xué)位論文 摘要 2 0 0 0 年，d i d t 等人在理論上預(yù)言p 型z n o 半導(dǎo)體摻雜5 的m n 在3 0 0 k 以上具有鐵磁性，這一預(yù)測吸引了研究者們廣泛的注意，于是世界各個研究團(tuán) 隊迅速展開了氧化物磁性半導(dǎo)體的研究工作，其中以在z n o ，t i 0 2 ，s n 0 2 和 i n 2 0 3 中摻雜過渡金屬元素的研究最為廣泛。下一代多功能器件要求把電子學(xué)、 磁學(xué)和光子學(xué)整合在一起，為了達(dá)到這個目的，尋找具有可調(diào)節(jié)的載流子濃度、 高遷移率、高的磁矩以及透明的磁性半導(dǎo)體變得越來越重要。 這里我們報道了f e 摻雜i n 2 0 3 磁性半導(dǎo)體，樣品具有室溫鐵磁性，很有希 望可以滿足以上的標(biāo)準(zhǔn)。 氧化銦，立方方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)1 0 1 2 a ，通過錫摻雜或引入氧空位 可以成為n 型寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度3 7 5 e v ，是一種應(yīng)用廣泛的透明氧化物 半導(dǎo)體材料。在氧化銦中進(jìn)行錫摻雜或引入氧空位可以提高載流子濃度，并且 載流子濃度可以通過改變摻雜濃度或者樣品制備時氧氣壓的大小來加以控制。 氧化銦的這些優(yōu)良的性質(zhì)使得它在各個方面具有很廣泛的應(yīng)用，比如氣敏材料、 平板顯示器和光電子器件。相比以z n o 和t i 0 2 為基磁性半導(dǎo)體系統(tǒng)的廣泛研 究，以h 1 2 0 3 為基的磁性半導(dǎo)體的研究才剛剛起步，目前只有幾篇文獻(xiàn)報道了 過渡金屬摻雜t n 2 0 3 的鐵磁性，其中以在h 1 2 0 3 中摻雜f e 最吸引研究者們的注 意。這主要時因?yàn)閒 e 最常出現(xiàn)的化學(xué)價和h 1 的化學(xué)價都是+ 3 價，這使得f e 原子比較容易摻入到i n 2 0 3 晶格當(dāng)中。盡管如此，我們?nèi)匀恍枰獙 e 摻雜h 1 2 0 3 薄膜樣品做進(jìn)一步的研究來確定觀測到的樣品的室溫鐵磁性是否是本征的。 我們用脈沖激光沉積的方法在r - c u t 藍(lán)寶石襯底上制備了f e 摻雜i n 2 0 3 的 薄膜。 制作薄膜樣品所需要的( i n 卜。f e x ) 2 0 3 ( x = 0 0 1 ，o 0 3 ，o 0 5 ，o 0 7 ，0 0 9 ) 靶材用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制得。將純度為9 9 9 9 的f e 2 0 3 和i n 2 0 3 粉末按照原 子比f e ( h l + f e ) 為l 、3 、5 、7 和9 的比倒均勻混合，研磨兩個小時， 在2 0 m p a 的壓力下壓制成直徑4 0 m m 的圓形靶。把圓形靶放入高溫爐中在溫度 1 3 0 0 0 c 下燒結(jié)1 0 個小時，燒結(jié)成陶瓷靶。 薄膜樣品采用r - c u t 藍(lán)寶石襯底，在不同的襯底溫度下用激光脈沖沉積制 v 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 備而成。薄膜厚度大約2 6 0 n m 。實(shí)驗(yàn)采用的激光為k r f 激光，波長為2 4 8 n m ， 頻率為5 h z 。打到靶上的激光能量密度為1 8j c m 2 。實(shí)驗(yàn)過程中生長室的本底 壓強(qiáng)為1 x 1 0 一p a 。樣品生長過程中通入高純氧，氧氣壓在o l x l 0 3p a 之間。 靶和樣品之間的距離為1 0 e r a 。樣品生長結(jié)束后在同樣的氧氣氛下以2 0 0 c m i n 的速度自然冷卻。 我們用x 射線衍射( t d ) 來測量分析樣品的結(jié)構(gòu)。樣品出現(xiàn)了兩種不同 的結(jié)構(gòu)。第一種樣品出現(xiàn)了幾個b e e 氧化銦晶體結(jié)構(gòu)的衍射峰，而( 4 4 0 ) 峰的強(qiáng) 度明顯高于其它衍射峰，這表明樣品具有較強(qiáng)的( 4 4 0 ) 取向。第二種樣品只出 現(xiàn)了( 2 2 2 ) 的峰，表明樣品在( 2 2 2 ) 晶面取向生長。在x r d 精度范圍之內(nèi)兩 種樣品都沒有發(fā)現(xiàn)對應(yīng)f e 以及其氧化物的雜質(zhì)峰。 x 射線光電子能譜( x p s ) 來確定樣品中f e 元素的化學(xué)價態(tài)。測量結(jié)果顯 示f e 2 p 引2 的束縛能為7 1 1e v ，這表明樣品中不存在f e 金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵?f e 金屬中f e 2 p 拋的束縛能為7 0 7 e v 。無論是圖像中f e 2 p 3 彪和f e 2 p 1 佗峰的位 置還是f e 2 p 3 佗和f e 2 p m 束縛能的差別都表明在我們的樣品中f e 是以離子形 式存在的。綜合考慮樣品x r d 和x p s 的測量結(jié)果，我們認(rèn)為f e 元素通過替代 氧化銦晶格中i i l 原子的位置摻入到了晶格之中。 我們實(shí)驗(yàn)中利用交變梯度磁強(qiáng)計( a g m ) ，振動樣品磁強(qiáng)計( v s m ) 和超 導(dǎo)量子干涉儀( s q u i d ) 對樣品的磁性能進(jìn)行了測量。 為了研究氧空位對f e d o p e di n 2 0 3 薄膜樣品中磁性的影響，樣品沉積過程 中我們在真空室中引入了不同的氧氣壓。從摻雜濃度7 ，沿著( 4 4 0 ) 晶面取 向生長的樣品的m h 圖像我們可以看到，氧氣壓在小于6 0 x 1 0 4 p a 的時候樣 品具有明顯的室溫鐵磁性，磁化強(qiáng)度也并非隨著氧氣壓線性的變化。在氧氣壓 從0 - - 4 0 1 0 - 4p a 之內(nèi)增大時，樣品的磁矩隨之增長。氧氣壓4 o l o 4p a 下制 備的樣品飽和磁矩達(dá)到了2 5 “n f e 。當(dāng)氧氣壓繼續(xù)升高的時候樣品的鐵磁性開 始降低，在氧氣壓8 0 1 0 + 4 p a 的時候樣品的鐵磁性基本上消失。 在室溫下測量了制備過程中不充氧的樣品在所加磁場分別平行和垂直于樣 品的表面時的磁滯回線。測量結(jié)果表明樣品在室溫的鐵磁性具有明顯的磁各向 異性。垂直膜面方向?yàn)橐状呕S的方向，飽和磁矩為1 3 5u b f e ，矯頑場為6 8 0 o e 。當(dāng)磁場平行于樣品的表面時，飽和磁矩為1 0 “b f e ，矯頑場為3 8 0o e 。 v i 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 用s q u i d ( 3 0 0 k 以下) 和v s m ( 3 0 0 k 以上) 測量了樣品的m t 曲線， 外加磁場l t ，方向平行于膜面。從結(jié)果可以看出溫度從2 k 到3 0 0 k 變化時，樣 品的飽和磁矩緩慢降低，當(dāng)溫度繼續(xù)增加的時候，磁矩迅速降低。從m t 曲 線估計樣品的居里溫度高達(dá)9 2 7 k ，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于1 , - f e 2 0 3 和f e 3 0 4 的居里溫度。 為了進(jìn)一步研究氧空位對f e d o p e di n 2 0 3 磁性半導(dǎo)體鐵磁性的影響，我們 對已經(jīng)制備的薄膜樣品進(jìn)行了退火處理。樣品在真空中和空氣中交替退火，在 真空中退火以產(chǎn)生更多的氧空位，在空氣中退火來降低氧空位的濃度。在稍低 于生長溫度( 6 0 0 ) 的情況下長時間的退火，比如在5 8 0 下退火2 5 小時， 以避免晶體結(jié)構(gòu)有所改變。結(jié)果顯示在氧氣壓2 x 1 0 - 4p a 下制各的樣品交替退火 的過程中，其鐵磁性可以可逆的進(jìn)行轉(zhuǎn)變。很明顯，真空中退火可以提高樣品 的鐵磁性，而在空氣中退火可以減弱樣品的鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)一個可 逆的振蕩。當(dāng)外加磁場垂直于樣品表面的時候，飽和磁化強(qiáng)度在2 1 2i _ t b f e 和 3 0i _ t a f e 間可逆震蕩。不僅如此，在反復(fù)的退火過程中，樣品的磁晶各向異性 并未消失，易磁化軸仍然垂直于樣品的表面。 關(guān)鍵詞：磁性半導(dǎo)體；氧化銦；磁特性；氧空位；磁晶各向異性 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 a b s t r a c t s i n c ed i e t le ta 1 p r e d i c t e dt h a tp - t y p ez n od o p e dw i t h5 o fm nw o u l db e f e r r o m a g n e t i cw i t hc u r i et e m p e r a t u r ea b o v e3 0 0 k i nt h ey e a ro f2 0 0 0 ，w o r l d w i d e z e s to no x i d e - b a s e dd i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sh a v e b e e na r i s e n t h em o s t l y r e s e a r c h e ds y s t e m sa r em a g n e t i ct r a n s i t i o ne l e m e n td o p e dz n o ，t i 0 2 ，s n 0 2 ，a n d i n 2 0 3 t oi n t e g r a t ee l e c t r o n i c s ，m a g n e t i c sa n dp h o t o n i c sf o rn e x tg e n e r a t i o n m u l t i f u n c t i o n a ld e v i c e s ，i tw i l lb ei m p o r t a n tt os e a r c hf o ram a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r w i t l lt u n a b l ec a r r i e rd e n s i t y , h i g hm o b i l i 鑼a n dm a g n e t i cm o m e n ta sw e l la so p t i c a l t r a n s p a r e n c y h e r ew er e p o r tt h eo b s e r v a t i o no f r o o mt e m p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i cb e h a v i o ri n f e d o p e di n 2 0 3t h a tm a y b ee x p e c t e dt om e e tt h ea b o v ec r i t e r i a 1 1 1 2 0 3i sat r a n s p a r e n ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw i t l lad i r e c tb a n dg a po f3 7 5 e v a n dc u b i cb i x b y i t ec r y s t a ls t r u c t u r ew i t hal a t t i c ec o n s t a n to f1 0 1 2a i tc a nb ea n n - t y p es e m i c o n d u c t o rw i t hh i g hc o n d u c t i v i t yb yi n t r o d u c i n go x y g e nv a c a n c i e so r s n - d o p i n g ，t h ec a r t i e rd e n s i t ya n dm o b i l i t yc a nb ee a s i l yc h a n g e db yd o p i n go r c h a n g i n go x y g e np r e s s u r e sd u r i n gd e p o s i t i o n s u c hf a v o r a b l ep r o p e r t i e sm a k ei t w i d e l yu s e d i n m a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，s u c h a s g a s s e n s i n gm a t e r i a l s ， t r a n s p a r e n te l e c t r o d e s ，f l a tp l a n a rd i s p l a y s a n do t h e ro p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s c o m p a r e d w i t ht h e e x t e n s i v e l y s t u d i e dz n oa n dt i 0 2 - b a s e d m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o rs y s t e m s ，r e s e a r c ho ni n 2 0 3 - b a s e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r si sj u s ta t i t sb e g i n n i n g o n l yaf e wp a p e r sh a v er e p o r t e da b o u tf e r r o m a g n e t i s mi nt r a n s i t i o n m e t a ld o p e di n 2 0 3s y s t e m s a m o n gw h i c hi n 2 0 3w i mf ed o p i n gi sm o r ea t t r a c t i v e t h a t sm a i n l yb e c a u s et h em o s tp r o b a b l ev a l e n c es t a t e so fi r o na n di n d i u ma r et h e s a m ea s + 3 w h i c hm a k e si te a s i e rf o ri r o nt od i s s o l v ei nt h ei n 2 0 3l a t t i c e h o w e v e r , i no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e rt h er o o mt e m p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i s mo b s e r v e di n f e - d o p e di n 2 0 3f i l m si si n t r i n s i c ，m o r er e s e a r c hs h o u l db ec a r d e do u t f e - d o p e di n 2 0 3f i l m sw e r ed e p o s i t e do nr c u ts a p p h i r es u b s t r a t e sb yp u l s e dl a s e r 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 d e p o s i t i o n t h e ( i n l x f e ，x ) 2 0 3 ( x = 0 0 1 ，0 0 3 ，o 0 5 ，0 0 7 ，0 0 9 ) c e r a m i ct a r g e t sw e r e p r e p a r e du s i n gc o n v e n t i o n a ls o l i d s t a t er e a c t i o nm e t h o d t h e9 9 9 9 i n 2 0 3a n d 9 9 9 9 f e 2 0 3p o w d e r sw e r ef i r s tm i x e da n dg r o u n df o r2h o u r s ，t h e np r e s s e dd i s k w i t had i a m e t e ro f4 0m i da n ds i n t e r e di n a i ra t1 3 0 0 f o r1 0h o u r st of o r ma c e r a m i ct a r g e t f e - d o p e di n 2 0 3f i l m sw e r ed e p o s i t e do nr - c u ts a p p h i r es u b s t r a t e sb yp u l s e d l a s e rd e p o s i t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h et a r g e t sw e r ea b l a t e db yak r fe x c i m e r l a s e ro p e r a t i n ga t2 4 8a ma n d5h z t h ee n e r g yd e n s i t yo nt h et a r g e t sw a s1 8j c m 2 t h ed e p o s i t i o nc h a m b e rw a sf i r s t l ye v a c u a t e dt oab a s ep r e s s u r eo f1 0 x 1 0 p a h i g hp u r eo x y g e nw a si n t r o d u c e dd u r i n gd e p o s i t i o nw i t hp r e s s u r ei nt h er a n g eo f o 1 o 1 0 一p a t h et a r g e t t o s u b s t r a t ed i s t a n c ew a s1 0t i n a f t e rd e p o s i t i o nt h e s a m p l e sw e r ec o o l e di nt h es a m ep r e s s u r ea tar a t eo f 2 0 。c m i n t h em i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dp h a s ei d e n t i f i c a t i o nw e r ec a r r i e do u tb yx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，g i v i n go u tt w ok i n d so fs t r u c t u r e s o n es h o w sf i v ed i f f r a c t i o n p e a k so fb c c1 n 2 0 3c r y s t a ls t r u c t u r ew i t ht h e ( 4 4 0 ) p e a km u c hh i g h e rt h a nt h eo t h e r f o u rp e a k s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ef i l m sh a v ea s t r o n go r i e n t e dt e x t u r ea l o n g ( 4 4 0 ) t h eo t h e rs h o w so n l y ( 2 2 2 ) p e a kt h a ti n d i c a t e st h ef i l m sh a v eas t r o n go r i e n t e d t e x t u r eo f ( 2 2 2 ) p l a n e n ot r a c e so fa n yk n o w nf ec l u s t e r s ，i r o no x i d e so rb i n a r y i n d i u m i r o np h a s e sw e r eo b s e r v e di nt h ed e t e c t i o nl i m i to f t h e x r a ym a c h i n e x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p yw a sc a r r i e do u tt od e t e r m i n et h ev a l e n c eo f f ee l e m e n t t h ep e a ko ff e 2 p 3 ，2l o c a t e sa t711e v , w h i c he x c l u d e st h ef o r m a t i o no f i r o nm e t a lc l u s t e r ss i n c et h eb i n d i n ge n e r g yo ff e 2 p 3 陀f o ri r o nm e t a li s7 0 7 e v b o t h t h ep e a kp o s i t i o na n dt h ee n e r g yd i f f e r e n c eb e t w e e nf e 2 p 3 尼a n df e 2 p 1 7 2i n d i c a t et h a t f ee l e m e n t i n o u rs a m p l ee x i s t s i n t h e i o n f o r m w i t h t h e v a l e n c e o f + 2a n d o r + 3 。 c o n s i d e r i n gt h ex r da n dx p sr e s u l t st o g e t h e r , w eb e l i e v et h a tf ee l e m e n t i n c o r p o r a t e si n t ot h ei n d i u mo x i d el a t t i c eb ys u b s t i t u t i n gt h ep o s i t i o no fi n d i u m a t o m s m a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e du s i n g a l l a l t e r n a t i n g g r a d i e n t m a g n e t o m e t e r ( a g m ) ，av i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) a n da i i 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 s u p e r c o n d u c t i n gq u a n t u mi n t e r f e r e n c ed e v i c e ( s q u i d ) i no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to ft h eo x y g e nv a c a n c i e so nt h em a g n e t i cp r o p e r t i e s o ff e - d o p e di n z o sf i l m s 。o x y g e nw i t hd i f f e r e n tp r e s s u r e sw a si n t r o d u c e di n t ot h e v a c u u mc h a m b e rd u r i n gd e p o s i t i o n f r o mt h em - hc u l v e $ o n ec a ns e et h a tr o b u s t r o o m - t e m p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i s mi s f o u n da st h eo x y g e np r e s s u r ei sl e s st h a n 6 x 1 0 - 4p a ，a n dt h a tt h em a g n e t i z a t i o nd o e sn o tv a r ym o n o t o n i c a l l yw i t ht h eo x y g e n p r e s s u r e t h em a g n e t i cm o m e n ti n c r e a s e sd r a m a t i c a l l y a st h eo x y g e np a r t i a lp r e s s u r e i n c r e a s e sf r o m0t o4 x1 0 - 4p a f o rt h ef i l md e p o s i t e da tt h eo x y g e np r e s s u r eo f 4 x 1 0 4p a ，t h es a t u r a t em a g n e t i cm o m e n tc o u l dr e a c h2 5 肛b f e t h ef e r r o m a g n e t i s m d e c r e a s e sw i t hf u r t h e ri n c r e a s eo ft h eo x y g e np r e s s u r ea n da l m o s td i s a p p e a r sw h e n t h e o x y g e n p r e s s u r e i s h i g h e r t h a n8 x 1 0 4 p a t h eh y s t e r e s i sl o o p sw e r em e a s u r e da tr o o mt e m p e r a t u r ew i t ht h e 印p l i e d m a g n e t i cf i e l dp a r a l l e la n dp e r p e n d i c u l a rt ot h ef i l mp l a n ef o rt h es a m p l ed e p o s i t e d w i t h o u ti n t r o d u c e do x y g e n i ti sc l e a rt h a tt h er o o m - t e n _ l p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i s mh a s d i s t i n c tm a g n e t i ca n i s o t r o p y w h e nt h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l di sp e r p e n d i c u l a rt ot h e f i l mp l a n e ，t h es a m p l eg e t ss a t u r a t em u c he a s i e rw i t has a t u r a t em a g n e t i z a t i o no f 1 3 5 f ea n dae o e r c i v i t yo f6 8 0o e ，c o n t r a s t i n g 晰t h1 0 t s f ea n d3 8 0o ei nt h e c a s eo fp a r a l l e la p p l i e df i e l d w ed o n ts e em a g n e t i ca n i s o t r o p yo ft h ef i l mw h i c h o r i e n t e da l o n gw i t h 【1 1 1 】d i r e c t i o n t e m p e r a t u r e - d e p e n d e n tm a g n e t i z a t i o nm e a s u r e m e n t sw e r ec a r r i e d o u tb y s q u i d ( b e l o w3 0 0k ) a n dv s m ( a b o v e3 0 0 1 0w i t ht h ea p p l i e df i e l do f1 ti nt h e f i l mp l a n e t h er e s u l t si n d i c a t et h es a t u r a t em a g n e t i z a t i o nd e c r e a s e ss l o w l yi nt h e t e m p e r a t u r er a n g ef r o m2 k t o3 0 0 k w h i l et h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e sf u r t h e r , t h e m a g n e t i z a t i o nd e c r e a s e sr a p i d l y f r o mt h em tc u r v e ，t h ec u r i et e m p e r a t u r ei s e s t i m a t e dt ob ea sh i 曲a s9 2 7 kw h i c hi sm u c hh i g h e rt h a to f l - f e 2 0 3a n df e 3 0 4 i no r d e rt of u r t h e rc h e c kt h ee f f e c t so ft h eo x y g e nv a c a n c i e so nt h e f e r r o m a g n e t i s mi nf e - d o p e di n t 0 3m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rf i l m s ，t h ea s - g r o w n f i l m sw e r ea l t e r n a t e l ya n n e a l e di nh i 【曲v a c u u l nt op m d u c em o r eo x y g e nv a c a n c i e s ， a n di na i rt od e d u c eo x y g e nv a c a n c i e s t h er e s u l ts h o w st h er e v e r s i b l et r a n s f o r m si n f e r r o m a g n e t i s mb ya l t e r n a t e l ya n n e a l i n gf o rt h es a m p l ed e p o s i t e dw i mt h eo x y g e n i t | 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 p r e s s u r eo f2 x l o 。4p a f e r r o m a g n e t i s mw a se n h a n c e db ya n n e a l i n gi nv a c u u ma n d w e a k e n e db ya n n e a l i n gi na i r , w i t ht h es a t u r a t em a g n e t i z a t i o na p p e a r i n gar e v e r s i b l e o s c i l l a t i o n w h e nt h em a g n e t i cf i e l dw a sa p p l i e dp e r p e n d i c u l a rt ot h ef i l mp l a n e ，t h e s a t u r a t em a g n e t i z a t i o no s c i l l a t e db e t w e e n2 1 2 u b f ea n d3 0 i - t a f e m o r e o v e r , t h e m a g n e t i ca n i s o t r o p yd i d n td i s a p p e a ra f t e rr e p e a t e d l ya n n e a l i n g ，s t i l lw i t ht h ee a s y a x i so f m a g n e t i z a t i o np e r p e n d i c u l a rt ot h ef i l mp l a n e k e y w o r d s ：m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ，i n 2 0 3 ，m a g n e t i cp r o p e r t i e s , o x y g e n v a c a n c i e s ，m a g n e t i ca n i s o t r o p y 山東大學(xué)博士學(xué)位論文 v i l l 符號說明 t c 居里溫度 h c 矯頑場 m s 飽和磁化強(qiáng)度 m r 剩余磁化強(qiáng)度 r h 霍爾電阻 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 圣型墅日期：塑丑主：笪 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名： 盟導(dǎo)師簽斟 期：越 j 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 磁性半導(dǎo)體概述 第一章前言 以研究和控制電子作為電荷負(fù)載體的輸運(yùn)特性為主要內(nèi)容的微電子學(xué)是2 0 世紀(jì)人類最偉大的創(chuàng)造之一，微電子技術(shù)正以m o o r e 定律在快速向前發(fā)展。在微 電子信息技術(shù)中，信息的輸運(yùn)、控制和檢測都是由電場控制電子的荷電性來實(shí)現(xiàn) 的，電子的自旋信息并沒有予以考慮。然而，信息存儲技術(shù)卻是建立在控制和檢 測鐵磁材料中電子的磁矩信號( 電子自旋) 的基礎(chǔ)上的。所以，在目前的信息技 術(shù)中信息處理和信息儲存是分開進(jìn)行的。近年來與電子自旋相關(guān)的物理與電子器 件日益受到人們的重視并且得到了迅速發(fā)展，因?yàn)槠渚哂兄匾膶W(xué)術(shù)意義和廣泛 的應(yīng)用價值，如圖1 所示。事實(shí)上，自旋不僅是信息的存儲體，也是一種信息的 載體。換句話說，目前的信息技術(shù)還沒有做到充分利用電子既是電荷信息的載體， 又是自旋信息載體的二重特性。如果能夠同時利用電子的電荷和自旋兩種信息載 體，設(shè)計、開發(fā)一種全新的龜子器件，就有可能引導(dǎo)出全新的信息處理和存儲模 式，也會大大提升信息處理的能力，這就是自旋電子學(xué)所研究的問題。最近二十 年，人們發(fā)現(xiàn)，電子自旋的擴(kuò)散長度比電子平均自由程長得多，可在更長的一段 時間內(nèi)保持自旋狀態(tài)不變，另外，自旋和電荷是同時伴隨著電子的輸運(yùn)而傳輸?shù)模?這樣就在半導(dǎo)體中并行了一個自旋信息通道，因此，有可能會大大提高信息的傳 輸?shù)拿芏群托畔⑻幚淼男?。不僅如此，在加上自旋的非易失特性，可以實(shí)現(xiàn)信 息存儲和處理的融合。另外，還可能會有很多的新器件出現(xiàn)，例如自旋場效應(yīng)管 ( s p i n - - f e t ) 、自旋發(fā)光二極管( s p i n - - l e d ) 、自旋共振隧道二極管( s p i n - - r t d ) ，在太赫頻率下工作的光開關(guān)、調(diào)制器、編碼器、譯碼器和為量子計算和 通訊所使用的量子位，甚至其他更新穎的器件。這些器件的出現(xiàn)必將給整個社會 帶來革命性的變化，使人類社會更快地進(jìn)入后電子時代。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 1 自旋電子技術(shù)及應(yīng)用前景樹圖h 卻：，s p i n t r o n i c s k o r e a a c k r r e s e a r c hm a p l h t m 2 根據(jù)現(xiàn)有的知識，同時利用電子的自旋和電荷的優(yōu)越性主要有： 1 ) 由于在自旋電子材料中存在磁滯，因此，自旋電子材料做成的電子器件是 一類不揮發(fā)器件( n o nv o l a t i l e ) 。如m r a m 就是不揮發(fā)的器件。 2 ) 由于在信息傳輸和處理過程中，電子的自旋始終保持在極化狀態(tài)，這就為 同時進(jìn)行信息處理和存儲提供了可能。如果能做到這一點(diǎn)，那么，在現(xiàn)有 的工藝技術(shù)和設(shè)備條件下，就可以再大幅度提高運(yùn)算速度，還可能會提高 系統(tǒng)芯片上有效集成的器件密度。 3 ) 將自旋( 極化) 考慮在內(nèi)，將出現(xiàn)4 種載流子：正自旋電子、負(fù)自旋電子、 正自旋空穴和負(fù)自旋空穴。因此可望通過控制載流子的自旋狀態(tài)來實(shí)施量 子計算。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 ) 自旋極化電子的輸運(yùn)可能會引起一些新的物理現(xiàn)象。例如，在通常的二維 電子氣中，電子的自旋是隨機(jī)取向的 如果二維電子氣中電子的自旋是極 化的，那么二維電子氣將存在自旋相干性。這種相干性很可能會導(dǎo)致一些 新的物理效應(yīng)。 自旋電子學(xué)基于磁學(xué)和微電子學(xué)，主要研究自旋極化電子在介觀尺度下 的輸運(yùn)特性，以及設(shè)計開發(fā)在這種新的機(jī)理下工作的器件。在相關(guān)的自旋電 子材料與自旋電子器件物理中，鐵磁性半導(dǎo)體( f e r r o m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r ) 被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)用自旋自由度來制造自旋電子器件的主導(dǎo)材料。 從物理上分析，微電子技術(shù)利用了半導(dǎo)體材料的帶隙，但是由于不存在 強(qiáng)的交換作用，其自旋子帶不產(chǎn)生劈裂，沒有自旋極化，不形成自旋載流予； 磁存儲利用了磁性材料中強(qiáng)自旋子帶的劈裂所產(chǎn)生的自旋載流子，但是它沒 有帶隙，不能夠得到可控的電荷載流子。于是，要實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)的目標(biāo)， 首先要發(fā)展出一種具有帶隙又有自旋子帶劈裂的新物質(zhì)( 材料) 。最直接的 思路有二條：。一將鐵磁材料半導(dǎo)體化；二使得半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)鐵磁性化。 從磁性角度，半導(dǎo)體可劃分為：含有磁元素陣列的磁性半導(dǎo)體、稀磁半導(dǎo) 搟辮搟 圖1 2 從磁性角度，半導(dǎo)體可劃分為：( a ) 含有磁元素陣列的磁性半導(dǎo)體；( b ) 稀 磁半導(dǎo)體( 非磁半導(dǎo)體和磁元素間的合金) ；( c ) 傳統(tǒng)的不包含磁離子的半導(dǎo)體 體( 非磁半導(dǎo)體和磁元素間的合金) 和傳統(tǒng)的不包含磁離子的半導(dǎo)體，如圖2 所示 1 】。對磁性半導(dǎo)體的選擇有兩個標(biāo)準(zhǔn)：一個是居里溫度要高，通常要求 高于室溫3 0 0 k ，另一個是要有足夠長的自旋擴(kuò)散長度。為了探索磁性半導(dǎo) 體材料，人們早在8 0 年代就做了大量的工作。當(dāng)時集中在對i i 族c d t e 3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 半導(dǎo)體進(jìn)行m n 、f e 等過渡金屬離子摻雜，以期待獲得磁性離子稀釋了的 i i v i 族半導(dǎo)體( d m s ，又稱半磁半導(dǎo)體、s m s c ) 。大量的i i v i 族稀磁半導(dǎo) 體的研究比較充分的表明：過渡金屬離子摻雜所得到的i i v i 族d m s 為順磁 相或反鐵磁相，而且很難成功進(jìn)行n 型或p 型摻雜。因而在相當(dāng)長的一段時 間內(nèi)，這方面的研究進(jìn)展不大。9 0 年代，日本的o h n o 在g a a s 等i i i v 族 半導(dǎo)體中摻雜m n 離子 2 1 9 】，獲得居里溫度為1 1 0 k 的鐵磁性。這一發(fā)現(xiàn)再 次激發(fā)起人們對i i i v 族和氧化物等磁性半導(dǎo)體研究的熱情。 1 1 1 鐵磁性半導(dǎo)體的基本特征 4 鐵磁性半導(dǎo)體通常是通過摻雜過渡族金屬元素或稀土金屬離子，如v ，c r , m n ，f e ，c o ，n i ，e u 等進(jìn)入i i v i 族、v i 族、i i v 族或i i i v 族化合物中， 由磁性過渡族金屬離子或稀土金屬離子部分地替代非磁性陽離子所形成的新 一類具有鐵磁性的半導(dǎo)體材料。上個世紀(jì)8 0 年代，人們曾在這類材料方面做 了大量的工作，如z n i 。m n 。s e 【2 0 2 2 ，c d l 。c o 。s e 【2 3 1 ，h 9 1 。f e ，t e l 2 4 ， s n l x m n 。t e 【2 5 2 6 ，p b l m n x t e 【2 7 ，p b l x e u x t e l 2 8 ，( c d l 。m n x ) 3 a s 2 2 9 1 ， h g l 。c d ，f e x s e 3 0 ，t i l 一。c o ；0 2 3 1 1 ，z n l x c o 。o 【3 2 1 等。不過這些大都是順磁 性或反鐵磁性的稀磁半導(dǎo)體，不是真正的鐵磁半導(dǎo)體。通過科研工作者的努力， 近年來終于制備出真正意義上的鐵磁性半導(dǎo)體來。 在鐵磁性半導(dǎo)體中，由于磁性離子的替代，使材料出現(xiàn)了如下特點(diǎn) 3 3 1 ： ( 1 ) 局域磁矩和傳導(dǎo)電子之間存在自旋一自旋交換作用，它將直接影響 半導(dǎo)體材料的有關(guān)參數(shù)，如傳導(dǎo)電子的g 因子，能帶結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)能級等。這 些物理因素必定會與外磁場發(fā)生相互作用，因而可以通過外磁場來調(diào)節(jié)和控 制材料的物理性質(zhì)； ( 2 ) 由于磁性子晶格的無序性，使材料表現(xiàn)出無序磁性合金的一些有關(guān) 性質(zhì)，如自旋玻璃轉(zhuǎn)變，反鐵磁團(tuán)的出現(xiàn)等，因而鐵磁性半導(dǎo)體成為一大類 具有自旋玻璃特性的材料； ( 3 ) 在鐵磁性半導(dǎo)體中，其磁性離子和其它成分比例的改變將導(dǎo)致電子 能態(tài)的變化、載流子類型及其濃度的改變、以及載流子有效質(zhì)量的變化等， 這為研究自旋載流子主導(dǎo)的各類自旋電子器件提供了好的材料基礎(chǔ)。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 由于以上特點(diǎn)，使材料形成了一些獨(dú)特的性質(zhì)，例如：巨磁光效應(yīng)，電 子和空穴的有效g 因子增長可達(dá)兩個數(shù)量級，材料中形成磁極化子并由此明 顯影響輸運(yùn)特性，產(chǎn)生巨負(fù)磁阻效應(yīng)，出現(xiàn)磁場誘導(dǎo)的絕緣體一金屬轉(zhuǎn)變等。 另外在鐵磁性半導(dǎo)體中存在多種極化子，這是因?yàn)樵阼F磁性半導(dǎo)體中存 在窄帶電子( 例如d 能級電子) ，窄帶中載流子的遷移率低，因而窄帶中運(yùn) 動的電子會出現(xiàn)極化效應(yīng)而形成電極化子和磁極化子。磁極化子也稱自旋極 化子。在鐵磁性半導(dǎo)體中，傳導(dǎo)電子自旋和晶格自旋之間存在交換耦合作用， 對緩慢移動的電子，通過這種作用可使近鄰離子自旋產(chǎn)生鐵磁極化趨勢。如 果能帶足夠窄，則電子將被俘獲在鐵磁白旋簇中，電子與近鄰自旋便構(gòu)成了