Ⅳ族非晶半导体薄膜的磁性与电输运研究
发布时间：2017-12-12 01:30
本文关键词：Ⅳ族非晶半导体薄膜的磁性与电输运研究
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【摘要】：随着微电子技术的迅速发展,半导体芯片的集成度正以摩尔定律预言的速度向前发展,随之给器件设计带来了新的瓶颈——芯片功耗、量子尺寸效应等问题。众所周知,传统微电子学只利用了电子的电荷属性,为了突破这一新的瓶颈,人们想到同时利用电荷与自旋两个自由度,引进新的信息处理、传输以及存储方法,来实现小型化、高速度、低能耗、高集成度等多功能的电子器件,于是自旋电子学应运而生。在自旋电子学中,自旋-轨道耦合作用(Spin-orbit Coupling,SOC)占有重要地位,它是调控电子自旋的一种有效方法,而且在自旋电子学器件方面具有潜在应用价值,比如自旋场效应管、自旋干涉仪以及自旋滤波器等。根据材料所受力的性质和材料结构的对称性,自旋-轨道耦合作用可以分为Dresselhaus自旋-轨道耦合和Rashba自旋-轨道耦合。Dresselhaus SOC主要是由于材料的体反演非对称导致导带有一个自旋-轨道耦合引起的劈裂,从而形成两个子能带,表现了材料的体效应;RashbaSOC是由于结构反演非对称造成的,这种不对称导致了能带倾斜,其大小与电势梯度成正比。RashbaSOC又分两种,一种与材料的表面或者界面有关,一种是利用外加电场来调控界面的自旋-轨道耦合强度。对于电子自旋的调控,Rashba自旋-轨道耦合提供了一个很好的方法。近年来,自旋霍尔效应(Spin Hall Effect,SHE)、拓扑绝缘体、Skyrmion晶格、反常霍尔效应(Anomalous Hall Effect,AHE)等与自旋-轨道耦合相关的物理效应被广泛关注,这些效应进一步催生了自旋电子学器件的新型结构和新颖功能。在磁性半导体材料中,与自旋-轨道耦合作用相关的一种重要电磁学效应是反常霍尔效应,它不同于正常霍尔效应(Ordinary Hall Effect,OHE)。正常霍尔电阻率与外磁场成正比,由洛伦兹力导致的;而反常霍尔电阻率与材料的磁化强度成正比,由载流子的自旋极化和自旋-轨道耦合作用决定的。反常霍尔效应的形成机理包括内禀机制和外禀机制,外禀机制又包括侧向跳跃(Side-jump)和斜散射(Skew Scattering)两种。1954年Karplus首次提出了反常霍尔效应的内禀机制,当时他完全忽略了杂质、电子-声子以及电子-电子之间的散射,把外加电场作为微扰展开分析,推导出理想晶体能带中运动的载流子拥有一个正比于贝里曲率的反常速度,这是由于运动的载流子受到了自旋-轨道耦合作用导致的;而侧向跳跃和斜散射主要是由于杂质、声子或者电子的散射造成的。侧向跳跃指的是自旋角动量和轨道角动量夹角的变化,使得载流子位移发生变化;斜散射指的是自旋-轨道耦合作用导致的非对称动量的变化,即载流子运动速度方向的改变。目前,有关反常霍尔效应的研究内容大部分集中在单层磁性膜上,而界面势垒与反常霍尔效应的关联很少被关注,并且有人将双载流子模型导致的非线性霍尔效应和反常霍尔效应混为一起,没有区分开来。基于以上研究现状的分析,我们选择了性能优越、工艺成熟的Si基半导体材料,通过掺杂过渡金属Mn元素制备了 MnxSi1-x非晶半导体材料,重点研究了 Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜和Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n异质结的磁性与电输运性质。Mn原子通常优先占据Si材料的四面体晶格原子间的间隙位置,不仅提供局域的磁矩,还能提供空穴载流子,局域磁矩之间通过空穴载流子发生耦合作用(Mn2+有效磁矩大约为3μB),从而形成了铁磁相。界面的Rashba自旋-轨道耦合对Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n异质结的霍尔效应影响较大,而Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜和Si衬底双载流子通道模型机制不能定性解释样品的霍尔效应的形成机制。为了研究Si和Ge半导体材料的共性,我们还研究了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)非晶磁性薄膜和(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p结的电输运性质。MnxSii-x和(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)的电输运性质对Si、Ge材料在自旋电子学器件的应用具有很好的发展前景。具体研究工作包括以下四个方面:1.我们研究了高Mn含量的Mn_(0.48)Si_(0.52)非晶半导体薄膜的磁性和反常霍尔效应,发现Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜在17 K以下显示弱的铁磁性,17 K以上显示超顺磁性,其反常霍尔系数正比于纵向电阻率表明反常霍尔效应起源于斜散射机制(见论文J.Alloys Compd.,2015,623:438)。为了克服热平衡状态下过渡金属元素Mn在Si中溶解度低的难题,我们采用低温非热平衡的生长条件,在玻璃衬底和不同类型的Si(100)衬底上制备了不同厚度的高Mn含量的MnxSii-x非晶半导体薄膜。研究发现随着Mn含量的增加,薄膜的磁性先增加后减小,其中Mn含量为48%的Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的磁性最强。Mn_(0.48)Si_(0.52)膜在截止温度17K以下显示弱的铁磁性,17K以上显示超顺磁性。20nm以上的Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的磁性不受膜厚和衬底类型的影响。玻璃衬底上制备的Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜,其电导率随温度的变化具有金属-绝缘体转变的金属边导电特性,理论拟合表明电导率随温度变化是由于电子-电子相互作用、电子-声子相互作用导致的;样品的反常霍尔电阻率正比于磁化强度,表明其传导载流子是自旋极化的;玻璃衬底上制备的Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的反常霍尔系数正比于纵向电阻率,表明反常霍尔效应的主要机理为斜散射机制。2.重点研究了 Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Sip-i-n异质结和Mn_(0.48)Si_(0.52)/Sip-n异质结的反常霍尔效应的增强效应,发现在200 K附近由于界面Rashba自旋-轨道耦合作用变强,导致p-i-n和p-n异质结的反常霍尔电阻率增强(见论文RSC Adv.,2016,6:55930)。在5～150 K温区,Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n异质结的霍尔电阻率随温度升高逐渐减小,150 K几乎变为零;继续升高温度,霍尔电阻率由正变为负,在150～200K温区,负的霍尔电阻率随温度升高而增大,在200K时达到最大值;200～300K温区,霍尔电阻率随温度的升高逐渐变小。研究发现150 K以下,Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n异质结的霍尔电阻率来自Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜本身的反常霍尔效应;150K以上,Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Sip-i-n异质结的界面势垒高度变低,电子隧穿势垒的几率变大,界面Rashba自旋-轨道耦合作用变强,导致反常霍尔电阻率增大。去掉Si衬底表面的SiO_2氧化层制备的Mn_(0.48)Si_(0.52)/Si样品,界面势垒高度进一步降低,电子隧穿势垒的几率进一步变大,Mn_(0.48)Si_(0.52)/Sip-n结的界面Rashba自旋-轨道耦合作用增强,从而导致反常霍尔效应的进一步增强。我们也讨论了Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜和Si衬底形成的双载流子通道对霍尔效应增强的影响,发现双载流子通道模型不能定量解释我们的实验结果。3.进一步研究了高载流子浓度的n-Si+SiO_2和p-Si+SiO_2衬底与Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的界面势垒对Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n和p-i-p异质结的霍尔效应的影响。我们发现,在5～150 K低温区域(5～180 K),由于较高的界面势垒如同良好的绝缘层导致Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n异质结(p-i-p异质结)的霍尔电阻率主要来源于Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜本身的反常霍尔电阻率,与衬底无关;而在150～300K高温区域(180～300 K),p-i-n异质结(p-i-p异质结)的界面势垒变低,载流子可以隧穿界面势垒层,但是由于衬底分流效应太强,掩盖了界面Rashba自旋-轨道耦合作用引起的反常霍尔效应的增强,所以高温区域异质结的霍尔信号主要来自衬底的正常霍尔效应。去除n型和p型Si衬底表面的SiO_2氧化层后,Mn_(0.48)Si_(0.52)/n-Sip-n和p-p结的霍尔电阻率的形成机理与未去除SiO_2氧化层的Mn_(0.48)Si_(0.52)/SiO_2/Si p-i-n和p-i-p异质结的相同。在5～150 K低温区域(p-p结在5～175 K),Mn_(0.48)Si_(0.52)/Si p-n结的霍尔电阻率来源于Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜本身的反常霍尔电阻率;在150～300 K高温区域(p-p结在175～300 K),霍尔信号主要来自衬底的正常霍尔效应。p型Si衬底表面的SiO_2氧化层对Mn_(0.48)Si_(0.52)薄膜的霍尔效应的大小没有影响。4.我们还系统研究了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)非晶磁性薄膜和(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p结的纵向电导、磁电阻以及霍尔效应,发现在铁磁性(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜和Ge衬底构成的(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p结中,界面的Rashba自旋-轨道耦合与双导电通道都对非线性霍尔效应有贡献。绝缘玻璃衬底上制备的(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜,在5～300K之间具有金属-绝缘体转变的金属边导电性质,电导随温度的变化起源于电子-电子相互作用、电子-声子相互作用;(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/glass样品显示了薄膜本身的反常霍尔效应,且样品的霍尔灵敏度几乎不随温度变化。在p型Ge衬底上制备的(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)非晶磁性薄膜,形成了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p 结。从 5 K 开始升温,(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Gep-p 结的纵向电导、磁电阻和霍尔电阻都随着温度的升高而增大,60 K时都达到最大值;继续升温,其值都减小,直到270 K时趋于最小值。低温下p-p结的电输运性质主要来源于(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜本身,这是因为低温下(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Ge p-p结的界面势垒阻挡了(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜中的载流子进入导电良好的Ge衬底;在60K附近,纵向电导、磁电阻和霍尔电阻都出现极大的增强,这是由于(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜中的载流子透过(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Gep-p结的界面势垒进入了 Ge衬底引起的;在高温区域,纵向电导、磁电阻以及霍尔电阻都变小,主要由于Ge衬底的分流作用引起的。另一方面,我们用(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)薄膜和Ge衬底的双载流子通道拟合了高温区的非线性霍尔效应,发现双载流子通道模型也能部分解释(FeCo)_(0.67)Ge_(0.33)/Gep-p结在高温区域的非线性霍尔效应。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O484.4;TN304
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