本文關(guān)鍵詞：Ⅳ族非晶半導(dǎo)體薄膜的磁性與電輸運(yùn)研究

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【摘要】：隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,半導(dǎo)體芯片的集成度正以摩爾定律預(yù)言的速度向前發(fā)展,隨之給器件設(shè)計帶來了新的瓶頸——芯片功耗、量子尺寸效應(yīng)等問題。眾所周知,傳統(tǒng)微電子學(xué)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(jìn)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(xué)應(yīng)運(yùn)而生。在自旋電子學(xué)中,自旋-軌道耦合作用(Spin-orbit Coupling,SOC)占有重要地位,它是調(diào)控電子自旋的一種有效方法,而且在自旋電子學(xué)器件方面具有潛在應(yīng)用價值,比如自旋場效應(yīng)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(zhì)和材料結(jié)構(gòu)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(dǎo)致導(dǎo)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(yīng);RashbaSOC是由于結(jié)構(gòu)反演非對稱造成的,這種不對稱導(dǎo)致了能帶傾斜,其大小與電勢梯度成正比。RashbaSOC又分兩種,一種與材料的表面或者界面有關(guān),一種是利用外加電場來調(diào)控界面的自旋-軌道耦合強(qiáng)度。對于電子自旋的調(diào)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(yīng)(Spin Hall Effect,SHE)、拓?fù)浣^緣體、Skyrmion晶格、反�；魻栃�(yīng)(Anomalous Hall Effect,AHE)等與自旋-軌道耦合相關(guān)的物理效應(yīng)被廣泛關(guān)注,這些效應(yīng)進(jìn)一步催生了自旋電子學(xué)器件的新型結(jié)構(gòu)和新穎功能。在磁性半導(dǎo)體材料中,與自旋-軌道耦合作用相關(guān)的一種重要電磁學(xué)效應(yīng)是反�；魻栃�(yīng),它不同于正常霍爾效應(yīng)(Ordinary Hall Effect,OHE)。正常霍爾電阻率與外磁場成正比,由洛倫茲力導(dǎo)致的;而反�；魻栯娮杪逝c材料的磁化強(qiáng)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�(yīng)的形成機(jī)理包括內(nèi)稟機(jī)制和外稟機(jī)制,外稟機(jī)制又包括側(cè)向跳躍(Side-jump)和斜散射(Skew Scattering)兩種。1954年Karplus首次提出了反�；魻栃�(yīng)的內(nèi)稟機(jī)制,當(dāng)時他完全忽略了雜質(zhì)、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(dǎo)出理想晶體能帶中運(yùn)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(yùn)動的載流子受到了自旋-軌道耦合作用導(dǎo)致的;而側(cè)向跳躍和斜散射主要是由于雜質(zhì)、聲子或者電子的散射造成的。側(cè)向跳躍指的是自旋角動量和軌道角動量夾角的變化,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(dǎo)致的非對稱動量的變化,即載流子運(yùn)動速度方向的改變。目前,有關(guān)反�；魻栃�(yīng)的研究內(nèi)容大部分集中在單層磁性膜上,而界面勢壘與反常霍爾效應(yīng)的關(guān)聯(lián)很少被關(guān)注,并且有人將雙載流子模型導(dǎo)致的非線性霍爾效應(yīng)和反�；魻栃�(yīng)混為一起,沒有區(qū)分開來�；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀的分析,我們選擇了性能優(yōu)越、工藝成熟的Si基半導(dǎo)體材料,通過摻雜過渡金屬M(fèi)n元素制備了 MnxSi1-x非晶半導(dǎo)體材料,重點研究了 Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜和Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的磁性與電輸運(yùn)性質(zhì)。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Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的霍爾效應(yīng)影響較大,而Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜和Si襯底雙載流子通道模型機(jī)制不能定性解釋樣品的霍爾效應(yīng)的形成機(jī)制。為了研究Si和Ge半導(dǎo)體材料的共性,我們還研究了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)非晶磁性薄膜和(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p結(jié)的電輸運(yùn)性質(zhì)。MnxSii-x和(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)的電輸運(yùn)性質(zhì)對Si、Ge材料在自旋電子學(xué)器件的應(yīng)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M(jìn)n含量的Mn_(0.48)Si_(0.52)非晶半導(dǎo)體薄膜的磁性和反�；魻栃�(yīng),發(fā)現(xiàn)Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜在17 K以下顯示弱的鐵磁性,17 K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�(yīng)起源于斜散射機(jī)制(見論文J.Alloys Compd.,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M(jìn)n含量的MnxSii-x非晶半導(dǎo)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Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的磁性最強(qiáng)。Mn_(0.48)Si_(0.52)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。20nm以上的Mn_(0.48)Si_(0.52)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Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜,其電導(dǎo)率隨溫度的變化具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的金屬邊導(dǎo)電特性,理論擬合表明電導(dǎo)率隨溫度變化是由于電子-電子相互作用、電子-聲子相互作用導(dǎo)致的;樣品的反常霍爾電阻率正比于磁化強(qiáng)度,表明其傳導(dǎo)載流子是自旋極化的;玻璃襯底上制備的Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的反�；魻栂禂�(shù)正比于縱向電阻率,表明反常霍爾效應(yīng)的主要機(jī)理為斜散射機(jī)制。2.重點研究了 Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Sip-i-n異質(zhì)結(jié)和Mn_(0.48)Si_(0.52)/Sip-n異質(zhì)結(jié)的反�；魻栃�(yīng)的增強(qiáng)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)在200 K附近由于界面Rashba自旋-軌道耦合作用變強(qiáng),導(dǎo)致p-i-n和p-n異質(zhì)結(jié)的反常霍爾電阻率增強(qiáng)(見論文RSC Adv.,2016,6:55930)。在5～150 K溫區(qū),Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)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?fù),在150～200K溫區(qū),負(fù)的霍爾電阻率隨溫度升高而增大,在200K時達(dá)到最大值;200～300K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,Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)的霍爾電阻率來自Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜本身的反�；魻栃�(yīng);150K以上,Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Sip-i-n異質(zhì)結(jié)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(qiáng),導(dǎo)致反常霍爾電阻率增大。去掉Si襯底表面的SiO_2氧化層制備的Mn_(0.48)Si_(0.52)/Si樣品,界面勢壘高度進(jìn)一步降低,電子隧穿勢壘的幾率進(jìn)一步變大,Mn_(0.48)Si_(0.52)/Sip-n結(jié)的界面Rashba自旋-軌道耦合作用增強(qiáng),從而導(dǎo)致反常霍爾效應(yīng)的進(jìn)一步增強(qiáng)。我們也討論了Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜和Si襯底形成的雙載流子通道對霍爾效應(yīng)增強(qiáng)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(jié)果。3.進(jìn)一步研究了高載流子濃度的n-Si+SiO_2和p-Si+SiO_2襯底與Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的界面勢壘對Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n和p-i-p異質(zhì)結(jié)的霍爾效應(yīng)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(dǎo)致Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n異質(zhì)結(jié)(p-i-p異質(zhì)結(jié))的霍爾電阻率主要來源于Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜本身的反常霍爾電阻率,與襯底無關(guān);而在150～300K高溫區(qū)域(180～300 K),p-i-n異質(zhì)結(jié)(p-i-p異質(zhì)結(jié))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(yīng)太強(qiáng),掩蓋了界面Rashba自旋-軌道耦合作用引起的反�；魻栃�(yīng)的增強(qiáng),所以高溫區(qū)域異質(zhì)結(jié)的霍爾信號主要來自襯底的正常霍爾效應(yīng)。去除n型和p型Si襯底表面的SiO_2氧化層后,Mn_(0.48)Si_(0.52)/n-Sip-n和p-p結(jié)的霍爾電阻率的形成機(jī)理與未去除SiO_2氧化層的Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n和p-i-p異質(zhì)結(jié)的相同。在5～150 K低溫區(qū)域(p-p結(jié)在5～175 K),Mn_(0.48)Si_(0.52)/Si p-n結(jié)的霍爾電阻率來源于Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜本身的反�；魻栯娮杪�;在150～300 K高溫區(qū)域(p-p結(jié)在175～300 K),霍爾信號主要來自襯底的正常霍爾效應(yīng)。p型Si襯底表面的SiO_2氧化層對Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的霍爾效應(yīng)的大小沒有影響。4.我們還系統(tǒng)研究了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)非晶磁性薄膜和(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p結(jié)的縱向電導(dǎo)、磁電阻以及霍爾效應(yīng),發(fā)現(xiàn)在鐵磁性(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜和Ge襯底構(gòu)成的(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p結(jié)中,界面的Rashba自旋-軌道耦合與雙導(dǎo)電通道都對非線性霍爾效應(yīng)有貢獻(xiàn)。絕緣玻璃襯底上制備的(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜,在5～300K之間具有金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的金屬邊導(dǎo)電性質(zhì),電導(dǎo)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)_(0.67)Ge_(0.33)/glass樣品顯示了薄膜本身的反常霍爾效應(yīng),且樣品的霍爾靈敏度幾乎不隨溫度變化。在p型Ge襯底上制備的(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)非晶磁性薄膜,形成了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p 結(jié)。從 5 K 開始升溫,(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Gep-p 結(jié)的縱向電導(dǎo)、磁電阻和霍爾電阻都隨著溫度的升高而增大,60 K時都達(dá)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(jié)的電輸運(yùn)性質(zhì)主要來源于(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜本身,這是因為低溫下(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p結(jié)的界面勢壘阻擋了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜中的載流子進(jìn)入導(dǎo)電良好的Ge襯底;在60K附近,縱向電導(dǎo)、磁電阻和霍爾電阻都出現(xiàn)極大的增強(qiáng),這是由于(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜中的載流子透過(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Gep-p結(jié)的界面勢壘進(jìn)入了 Ge襯底引起的;在高溫區(qū)域,縱向電導(dǎo)、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)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜和Ge襯底的雙載流子通道擬合了高溫區(qū)的非線性霍爾效應(yīng),發(fā)現(xiàn)雙載流子通道模型也能部分解釋(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Gep-p結(jié)在高溫區(qū)域的非線性霍爾效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O484.4;TN304

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1 常翠祖;劉e，

本文編號：1280697