高迁移率半导体材料的自旋注入

发布时间：2018-12-10 13:54

【摘要】：自旋电子学的目标是在半导体或金属体系中通过操控电子的自旋属性来实现信息的记录、操控、运输和存储等。做为向半导体和金属写入和输运自旋信息的核心步骤,自旋注入效应是研发半导体和金属基自旋电子器件的关键技术之一。本论文利用磁控溅射技术制备了不同结构的磁性金属薄膜或磁性金属薄膜/半导体复合材料,利用紫外曝光等微加工手段制备了三端口自旋注入结构,并对其磁电运输性质进行了系统研究。具体结果如下:首先,我们在高迁移率材料InAs衬底上制备了Ru(30nm)/Ta(100nm)/CoFeB(10nm)/InAs薄膜,利用四端法测量非局域几何磁电阻。结果显示,引起非局域几何磁电阻(MR)的物理起源是磁场导致的洛伦兹力。在高磁场的情况下,Hall角度接近90度,电流密度几乎与InAs/CoFeB界面平行,此时电流几乎被限制在InAs中输运。通过制备 Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs 这一简单体系来研究体系中的自旋在界面处发生转移或者散射的具体形式以及转移的自旋对体系电荷输运性质的影响。可使Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs 薄膜中产生 MR 和翻转磁化状态。又由于半导体InAs的电阻率甚高,导致Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs 结构中 MR 效应将特别显著。该器件的MR与磁场依赖关系的斜率在线性MR区域,可从局域MR的12.6 T-1增加到非局域MR的45.3 T-1。而且几何MR的测量值可达104%量级。这些特性对该器件应用于高场传感器领域非常具有吸引力,该工作也为高磁场探测器的设计提了新思路。其次,我们利用磁控溅射技术在Si/SiO2(500nm)上生长了Pt(5nm)/Co(0.8nm)/AlOx(2nm)超顺磁薄膜。通过控制栅极电压的极性和大小,可方便地控制Co氧化还原反应的进度,进而控制超顺磁Co颗粒的大小以及薄膜的超顺磁特性。通过XPS发现阳极上Co的氧化还原反应的可调性。这些发现对设计基于超顺磁颗粒薄膜的高密度,低功耗和非易失新型磁存储器件提供了全新思路。同时,我们已成功地通过肖特基结将自旋注入到宽带隙半导体SiC中。测得SiC自旋弛豫寿命长达300ps。通过输运机理分析表明,载流子在肖特基结的隧穿过程为多步隧穿。在多步隧穿阶段,可利用缺陷态捕获自旋极化载流子,非平衡自旋将会在这些缺陷态上弛豫。体区自旋弛豫时间较缺陷态自旋弛豫时间更短,而缺陷态自旋驰豫寿命可达lns以上。这表明为了准确测量体区自旋弛豫寿命,应尽量避免界面态参与的输运过程。在直接隧穿过程中测得的自旋弛豫寿命更能反映半导体材料的本征属性。最后,为了研究半导体器件的光电性质,我们在纳米图型化和超宽频磁电特性测量系统中设计和集成了光场发生与响应装置。该装置可以向扫描电子显微镜的腔体中引入各种波长的光。对于没有磁场、电场和探针系统的基本电子束曝光系统,光场引入非常简单。但是当上述三个子系统,特别是磁场发生装置和探针系统,均被集成到腔体中时,要想再通过一支新的探针引入光场就变得非常困难。这里还需指出,尽管光纤很细,但光纤头却相对粗壮,因此引导光纤的探针必然也会相对粗壮,这样它才能具备必要的机械强度来支撑光纤头。在该系统的具体实现中,为了节约空间,我们巧妙地将光纤头固定在磁场发生装置的磁极上。这种设计一则能保证固定光纤头所需要的机械强度;再则刚好可将光束引入到样品台正中间,磁场发生装置的磁极在工作状态时恰好被安放在样品台中心位置。三则还能极大地节省宝贵的腔体空间,可谓一举三得。上述研究工作对半导体自旋电子器件、新型磁传感器以及磁存储器件的的研发开拓了新思路,提供了物理图像层面的分析和证明,为后续开发奠定了物理基础。
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【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304

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