鐵摻雜氧化銦鐵磁性半導(dǎo)體薄膜的生長及性能研究.pdf

1、微電子學(xué)主要研究和利用電子作為電荷載體的輸運(yùn)性質(zhì)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石。然而，隨著集成化程度的提高，半導(dǎo)體器件的尺寸將進(jìn)入納米尺度，器件單位面積的能耗將急劇上升并導(dǎo)致嚴(yán)重的熱損傷問題的出現(xiàn)。另外，在納米尺度下，量子限域效應(yīng)將起主導(dǎo)作用，電子的能帶理論將不再完全適用。在這種情況下，人們開始關(guān)注電子的另一個內(nèi)稟屬性--自旋，希望能將電荷和自旋這兩個屬性同時加以利用，研制開發(fā)出一種新型的電子器件，該類器件與現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件相比，具有運(yùn)算速度更

2、快、器件尺寸更小、能耗更低、斷電信息不消失以及可用于量子計算等一系列的優(yōu)點。這個新興的研究領(lǐng)域即為自旋電子學(xué)，是近些年來發(fā)展非常迅速的一個研究方向。要實現(xiàn)性能優(yōu)異的自旋電子器件，最首要的任務(wù)就是要開發(fā)出一種既具有半導(dǎo)體的帶隙又具有磁性材料的自旋子帶劈裂的新材料，為此，制備出具有室溫鐵磁性和高自旋極化度的鐵磁性半導(dǎo)體材料是非常關(guān)鍵的。 典型的鐵磁性半導(dǎo)體的制備方法是在現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料中進(jìn)行過渡金屬元素的摻雜，使之以替位摻雜的形式進(jìn)

3、入半導(dǎo)體的晶格，通過磁性離子之間的鐵磁耦合作用，使得半導(dǎo)體材料在原有帶隙的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步產(chǎn)生鐵磁性。20世紀(jì)90年代，Ohno等人在GaAs中成功實現(xiàn)了Mn摻雜，但其居里溫度最高只能達(dá)到170K，無法滿足器件的應(yīng)用需求。2000年，T.Dietl等人基于傳統(tǒng)的Zener模型通過理論計算預(yù)言了Mn摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體GaN及ZnO會具有居里溫度高于300K的鐵磁性，這一結(jié)果一經(jīng)報道，立即引發(fā)了人們對于氧化物基鐵磁性半導(dǎo)體的研究熱情，大量的實

4、驗和理論工作陸續(xù)開展起來。研究最多的是ZnO和-TiO2體系，但不同研究組所報道的結(jié)果卻各不相同甚至互相矛盾，以致于直至現(xiàn)在，關(guān)于過渡會屬摻雜的氧化物體系中是否具有本征鐵磁性的問題仍然沒有定論。同時，對于過渡金屬摻雜的氧化銦體系而言，盡管目前對于該體系的研究尚處于起步階段，但文獻(xiàn)所報道的結(jié)果中大部分都發(fā)現(xiàn)了鐵磁性的存在，部分還發(fā)現(xiàn)了反?；魻栃?yīng)等獨特的性質(zhì)，且鐵元素在氧化銦基體中的溶解度高達(dá)20％。在這樣的背景下，同時結(jié)合氧化銦基體材料

5、所具有的優(yōu)良的光電特性及氣敏性質(zhì)，我們最終選擇了鐵摻雜氧化銦作為本論文的研究體系，并嘗試解決如下問題：鐵摻雜氧化銦中能否實現(xiàn)高溫本征鐵磁性?鐵磁性的來源是什么? 樣品的制備我們采用脈沖激光沉積的方法，實驗所需要的陶瓷靶用固相反應(yīng)燒結(jié)的方法制備而成。我們首先在r向的藍(lán)寶石襯底上生長了多晶的鐵摻雜氧化銦薄膜樣品，X射線衍射表明樣品是沿（440）晶向擇優(yōu)生長的織構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)鐵、鐵的氧化物以及其他銦鐵化合物的第二相，成分測試表明薄膜中鐵的

6、原子含量為7％，X射線光電子能譜表明鐵元素以離子形式存在，這說明鐵原子以替位摻雜的形式進(jìn)入了氧化銦的晶格。透射電鏡所給出的結(jié)果表明，晶格整齊有序排列，未發(fā)現(xiàn)第二相存在的跡象；薄膜的生長呈現(xiàn)柱狀生長模式，柱狀晶粒的大小在200nm左右；鐵元素在薄膜的生長方向分布均勻，而在沿薄膜和襯底的界面方向分布不均勻，有貧鐵區(qū)的間隔存在，且貧鐵區(qū)所對應(yīng)的剛好是柱狀晶粒的邊界。磁性測量表明，樣品的居里溫度高達(dá)927K，顯示出強(qiáng)的垂直膜面磁各向異性。磁場垂

7、直膜面時，樣品的飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)1.35μB/Fe。927K的居里溫度說明摻雜的鐵離子之間具有很強(qiáng)的間接交換作用。強(qiáng)磁各向異性可能是由樣品內(nèi)部晶場勢與自旋軌道耦合共同作用的結(jié)果，可以作為本征鐵磁性的非常重要的依據(jù)。我們認(rèn)為該磁垂直各向異性與樣品沿（440）方向擇優(yōu)的柱狀生長模式相關(guān)。 隨后，我們又在YSZ（100）襯底上首次嘗試了鐵摻雜氧化鋼薄膜的外延生長。樣品的整個生長過程都用RHEED監(jiān)控，RHEED圖像一直顯示尖銳條紋，沒

8、有雜點出現(xiàn)，XRD的θ-2θ只觀察到了In2O3（400）、（600）、（800）三個峰，說明我們成功實現(xiàn)了鐵摻雜氧化銦薄膜的外延生長。AFM測試結(jié)果顯示薄膜樣品的生長為垂直于襯底表面的柱狀生長模式，柱狀晶粒大小約為200nm。磁性能測試表明，外延生長的鐵摻雜氧化鋼薄膜具有更強(qiáng)的磁垂直各向異性。這樣，我們進(jìn)一步驗證了鐵摻雜氧化銦薄膜中的磁垂直各向異性是與樣品結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)稟機(jī)制。 為了進(jìn)一步深入的探討該鐵磁性的來源，我們分別通過在

9、樣品中進(jìn)行不同濃度的Sn摻雜改變樣品內(nèi)的載流子濃度、及改變生長過程中的氧氣氛和后續(xù)退火改變樣品內(nèi)氧空位的濃度來觀察樣品的鐵磁性會有怎樣的變化。結(jié)果表明，在樣品中進(jìn)行Sn摻雜后，雖然樣品內(nèi)部的載流子濃度大幅度提高了，但是鐵磁性卻基本沒有受到影響。而在改變生長過程中的氧氣氛后，樣品的鐵磁性發(fā)生了很明顯的改變。樣品的鐵磁性隨氧氣壓呈非單調(diào)的變化，在最優(yōu)化的生長氧分壓下，樣品的鐵磁性最強(qiáng)。后續(xù)的在真空和空氣中的交替退火同樣也成功的調(diào)控了鐵磁性，

10、使得鐵磁性能夠在高磁矩狀態(tài)和低磁矩狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)化，并且樣品的磁垂直各向異性不隨著反復(fù)退火而消失。這說明，氧空位的濃度對鐵摻雜氧化銦的鐵磁性有嚴(yán)重的影響和調(diào)控制、可后控作用。最后，根據(jù)所得到的實驗規(guī)律和相關(guān)的測量數(shù)據(jù)，我們對Coey所提出的束縛磁極化子模型進(jìn)行了必要的修正，比較好的解釋了鐵摻雜氧化銦薄膜中鐵磁性的作用機(jī)理。 總之，本論文的研究工作主要取得了如下成果： 第一，用脈沖激光沉積的方法成功制備了具有高溫鐵磁性（Tc

11、=927K）以及強(qiáng)垂直磁各向異性的沿（440）方向的織構(gòu)鐵摻雜氧化銦薄膜。該鐵磁性與雜質(zhì)相無關(guān)，是鐵摻雜進(jìn)入氧化銦品格之后引起的一種本征的鐵磁性。 第二，成功實現(xiàn)了鐵摻雜氧化銦薄膜的外延生長，該外延薄膜具有更強(qiáng)的磁垂直各向異性，進(jìn)一步驗證了該鐵磁性是與結(jié)構(gòu)相關(guān)的本征鐵磁性。 第三，獲得了較高的飽和磁化強(qiáng)度，在最佳情況下，樣品的平均原子磁矩接近3μB/Fe。 第四，系統(tǒng)的研究了鐵摻雜氧化銦薄膜中的鐵磁性與普通載流子