论文摘要
20世纪,微电子工业迅速崛起。以大规模集成电路为基础；通过电场调控电子的电荷实现了信息的处理和传输。然而传统信息技术却忽略了电子的另一个自由度——自旋。而以磁性材料为基础的信息（数据）存储技术也仅利用了电子的自旋这一自由度。通过电场和磁场同时调控电子的电荷和自旋两个自由度成为众多科学家的梦想,自旋电子学（Spintronics）应运而生。自旋电子学主要研究与电子的自旋和电荷密切相关的过程,包括自旋电流源的产生、自旋源注入、自旋传输、自旋检测和自旋控制,并最终实现自旋量子阱发光二极管、自旋p-n结二极管,磁隧道效应晶体管、自旋场效应管和量子计算机等自旋电子器件。自旋电子学技术将是下一代信息技术的核心,将实现信息的处理和存储同步完成,因此自旋电子学得到了广泛的关注和研究,并已经取得重大的突破和发展。实现自旋电子学器件主要有两个途径：第一,以铁磁材料为基础的利用自旋相关磁电阻效应的器件,主要包括GMR,TMR等,已成功应用到磁传感器,磁头以及磁随机动态存储器中；第二,以半导体材料为基础的通过过渡金属掺杂实现的磁性半导体及其异质结,目前正得到广泛的研究,并取得了丰硕的成果。磁性半导体材料及其异质结是开发自旋电子学器件的关键,是在传统的制备工艺中通过掺杂过渡金属元素到Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ族半导体中来实现的。其特点是通过磁性离子中极化的3d电子与导电载流子相耦合实现载流子的自旋极化,并保留原半导体的带隙。上个世纪初研究的硫化铕等磁性半导体材料居里温度不到10K,而且制备工艺复杂,极难生长,成为磁性半导体进一步发展的瓶颈。直到上个世纪90年代这一瓶颈才得以突破,日本的Ohno等人发现Mn掺杂InAs, GaAs等Ⅲ-Ⅴ族半导体能够得到居里温度在100K左右的本征铁磁半导体材料,其铁磁性来源于空穴载流子传递产生的铁磁离子之间的铁磁相互作用。大量的理论和实验工作表明Ga（Mn）As是公认的具有本征铁磁性的磁性半导体材料。然而其居里温度（180K）远低于室温,这制约了其在工业上的大规模应用。同时Mn, Cr, Co等掺杂ZnO,TiO,In2O3等氧化物半导体也得到了广泛的研究,然而由于氧空位和铁磁团簇等缺陷对磁性的影响,不同的实验小组报道的结果大相径庭甚至相互矛盾。Ge作为Ⅳ族半导体材料,与传统的Si基半导体材料具有相似的电子结构,在制备工艺上容易与Si基材料相兼容。不仅如此,相对高的本征空穴迁移率也让Ge基磁性半导体成为高性能,低功耗器件的首选。理论计算认为,Ge基磁性半导体材料的居里温度有望达到400K以上,这更加激发了科研工作者对Ge基材料的研究热情。Park等人利用了低温分子束外延技术制备了单晶MnxGe1-x磁性半导体,随着Mn的掺杂量从0.006到0.035之间变化,居里温度从25K提高到116K,并且可以通过外加门电压改变载流子浓度,进而改变样品磁性。通常认为样品的居里温度很大程度上依赖于过渡金属的掺杂浓度,而在热平衡状态下生产的单晶材料中过渡金属元素的溶解度较低,并容易析出第二相和产生团簇。为了进一步实现Ge基磁性半导体的工业应用,需要提高样品的饱和磁化强度和居里温度等。针对于此,我们在非热平衡条件下制备了一系列高掺的均匀非晶Ge基磁性半导体薄膜及其异质结,系统地研究了其电学和磁学性质。我们的工作将推动Ge基磁性半导体在自旋电子学器件上的应用,具体工作如下.●利用磁控共溅技术在非热平衡条件下在纯氩气和20%H2的混合氩气两种气氛下分别制备了均匀非晶MnxGe1-x和MnxGe1-x:H磁性半导体薄膜。与不含H的MnxGe1-x薄膜相比,含有H的MnxGe1-x:H薄膜在低温表现出更高的载流子浓度,更大的电导,和更高的饱和磁化强度。另外,我们发现MnxGe1-x:H薄膜的反常霍尔电阻率正比于外加磁场垂直于膜面测得的磁化强度。所有的电学性质和磁性质表明MnxGe1-x:H薄膜中观察到的铁磁性是本征的。这种本征铁磁性是铁磁离子通过自旋极化载流子传递形成的间接铁磁耦合。氢化提供了一种有效改善Ge基磁性半导体的电学和磁学性质的方法。●在非热平衡条件下利用磁控共溅技术在20%H2的混合氩气气氛下制备了均匀非晶MnxGe1-x:H磁性半导体薄膜。在低温区MnxGe1-x:H薄膜表现出整体铁磁性,随着温度的升高MnxGe1-x:H薄膜的矫顽力从正变到负,又变到正。这种矫顽力的正负震荡并没有在MnxGe1-x薄膜和其他磁性半导体中观察到。对于Mn0.4Ge0.6膜,我们在30K矫顽力为负的温度,也发现了反向的霍尔效应曲线。这种矫顽力的正负震荡以近邻的包含一个或几个H富集团簇的铁磁区域之间的铁磁耦合和反铁磁耦合做出了解释。含有H团簇的铁磁区域中由载流子传递产生的铁磁性是本征的,并且具有较高的居里温度。氢化能改变MnxGe1-x薄膜的的磁性质,这对MnxGe1-x磁性半导体应用于自旋电子学器件非常重要。●利用磁控共溅技术在非热平衡条件下制备了高掺Fe的FexGe1-x均匀非晶磁性半导体溥膜。通过系统的研究其微结构,磁性和电输运性质发现FexGe1-x薄膜具有本征铁磁性,并且具有高于室温的居里温度和较高磁化强度。饱和磁化强度随着温度变化的曲线可以利用Bloch自旋波公式拟合,居里温度温度高于室温。通过定量分析电子输运结果表明FexGe1-x磁性半导体薄膜的电导表现为弱局域载流子的金属边导电。另外对于所有的FexGe1-x薄膜反常霍尔电阻率正比于相应的磁化强度,表明其中的载流子是自旋极化的,铁磁性是本征的。Fe0.5Ge0.5薄膜样品的铁磁共振结果进一步表明样品具有均匀的整体铁磁性。因此具有高居里温度和饱和磁化强度的FexGe1-x磁性半导体薄膜能够作为自旋电流注入源在自旋电子学器件中有巨大的潜在应用。●分别在单晶Ge的p型,n型和本征衬底上生长p型FexGe1-x磁性半导体薄膜,得到了FexGe1-x/Ge非晶异质结二极管。在整个测量温度范围内所有的异质结二极管都表现出传统p-n结的整流特性。p-Fe0.4Ge0.6/p-Ge极管的Ⅰ-Ⅴ曲线从10K到室温没有明显的差别。研究发现即使在室温,p-Fe0.4Ge0.6/n-Ge极管仍然具有非常好的整流特性。特别值得关注的是通过大的正磁电阻发现外磁场能够改变p-Fe0.4Ge0.6/instrisic-Ge的Ⅰ-Ⅴ曲线。p-n和p-i异质结的结电阻随着温度的升高而减小,表明其典型的半导体导电性质。我们以磁场和电场对界面能带结构的改变为基础讨论了p-Fe0.4Ge0.6/i-Ge异质结二极管中发现的正磁电阻。