磁自旋材料的技術發(fā)展與應用

磁自旋材料的技術發(fā)展與應用

1鐵磁材料的應用眾所周知，質量、壓力和旋轉是電子信號的三個重要變量。它們被成功地使用，構成了當前信息社會的基礎。信息處理、流通領域的集成電路、高頻和大功率器件是半導體的電子電荷特性被成功利用的范例。高容量信息存儲器件——信息技術領域中一個獨立發(fā)展的分枝如硬盤、磁帶、磁光盤等則是利用了鐵磁材料中的電子自旋特性。一個自然的問題是:能否制備出利用電子的電荷和自旋特性同時來工作的高性能的量子器件。如此以來信息存儲和信息處理就能同時進行,設備結構可大大簡化,功能大大增強。另外,如能通過給半導體注入自旋電流來控制載流子的自旋態(tài),那么就可解決量子計算機的量子位操作問題,快速、功能強大的量子計算機則指日可待。但Si、GaAs等這些當今信息領域的基礎材料并不含磁離子(非磁的),他們的磁因子g很小。如果要利用其電子的自旋能級差,則必須有很大的磁場,這很不現(xiàn)實。同時磁性材料和半導體之間有很大區(qū)別,雖然它們在信息領域各自占有不可替代的地位,但這兩種材料互不相容,一直在彼此獨立地發(fā)展。因此目前迅速興起的稀磁半導體和鐵磁/半導體異質結材料由于能解決上述問題正日益受到科技界和工業(yè)界的矚目。2總結2.1-族化合物半導體法從磁性角度劃分,半導體材料可分為鐵磁、稀磁(半磁)和非磁等三種(如圖1)。稀磁半導體材料(DMS)是非磁半導體和磁性物質的合金,其中的組成離子部分地(1%~20%)被有磁性的過渡金屬或稀土金屬離子所替代。在沒有外磁場的情況下,這類材料具有與非磁半導體相同的性質;反之,則能顯示一定的磁性。其中最為重要的一點是其禁帶寬度和晶格常數(shù)隨摻入的磁離子濃度的不同而變化,通過能帶剪裁工程可使這些材料應用于各種器件。鐵磁特性和半導體特性共存于一體的研究可追溯到上世紀的六、七十年代,如硫族銪化物在半導體尖晶石中可以產生周期性的磁元素陣列。但這類磁半導體的晶體結構和Si、GaAs等有極大的不同,而且其晶體生長極為困難,很小的晶體通常要花費數(shù)周的準備和實施時間。半導體材料之所以應用廣泛,在于可以通過很少量的n型或p型雜質就能改變其特性,因此人們想到了通過摻入磁性離子來改變其磁性的方法。這類磁性半導體的研究先前大多集中在Ⅱ-Ⅵ族半導體如CdTe和ZnS等。這是因為一些磁離子如Mn2+可以很容易地通過代替Ⅱ族陽離子進入Ⅱ-Ⅵ族半導體。但由于存在n型和p型摻雜的困難,限制了其器件應用。同現(xiàn)代半導體工藝相容的方法是引入高濃度的磁離子使非磁性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體帶磁性。Ⅲ-Ⅴ族半導體廣泛應用于現(xiàn)代電器,如手機(蜂窩電話)中的微波晶體管、CD唱盤機中的半導體激光器等。磁離子的引入會給傳統(tǒng)的非磁半導體電子、光電子材料帶來不同的特性,甚至能由此引發(fā)一場新的技術革命。但Ⅲ-Ⅴ族半導體磁性化的主要障礙是磁離子在其中的固溶度太低。由于磁效應大致正比磁離子的濃度,低于1018cm-3固溶度的磁離子起不了什么作用,因此這一研究領域一直裹足不前。但隨著材料外延技術的發(fā)展,分子束外延技術的低溫非平衡生長工藝克服了這一困難。繼1989年Munekata等人成功生長出(In,Mn)As之后,(Ga,Mn)As和其它一些Ⅲ-Ⅴ族磁半導體也相繼得到了制備。同時,外延生長的鐵磁/半導體層異質結薄膜甚至磁共振隧穿二極管也得到了長足的發(fā)展。這樣與電子自旋相關的新物理現(xiàn)象的探索和新功能電子器件的實現(xiàn)由于這一領域的蓬勃發(fā)展而成為可能。2.2非平衡態(tài)的低溫生長低溫MBE生長作為專門的課題很早就得到了研究。在低溫生長條件下,由于外延層中含有密度高達1019cm-3的AsGa反位缺陷,這種技術通常用來制作高速光電器件、抗輻射器件和隔離GaAsIC等。磁半導體材料研究領域中,MBE的非平衡態(tài)的低溫生長(200~300℃)是其關鍵技術。這是因為只有在低的生長溫度下才能引入超出固溶度(1018~1019cm-3)的高濃度的磁離子,且低溫生長時的熱能不足以在外延層形成第二相。低溫下MBE的二維平面生長是保證磁半導體材料質量的關鍵。Shen等人利用反射高能電子衍射儀(RHEED)在位觀測了不同Ⅴ/Ⅲ束流比(As4)和150~750℃溫度下生長初期的衍射振蕩峰情況(振蕩峰周期對應于單層沉積的時間,它的出現(xiàn)被認為是二維層狀生長的有利證據(jù)),從而得到了保證MBE低溫二維生長的一個重要的條件即一定的高的Ⅴ/Ⅲ束流比。其原因可歸之為過量的As起到了表面活化劑的作用,增強了吸附的Ga原子的遷移能力。2.3ga,mn目前利用外延的方法能制備出兩種復合結構的Ⅲ-Ⅴ族磁半導體材料即稀磁半導體和鐵磁/半導體異質結材料。Ⅲ-Ⅴ族稀磁半導體包括(In,Mn)As、(Ga,Mn)As、GaFeSb、GaMnSb和GaMnN等相關的異質結;Ⅲ-Ⅴ族鐵磁/半導體異質結材料包括MnAs/GaAs、MnGa/GaAs、(In,Mn)As/(Ga,Al)Sb、(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As、MnGa/(Mn,Ga)As/MnGa、MnAl/AlAs/GaAs、MnGa/NiGa/GaAs、NiMnSb/GaAs、MnSb/GaAs和MnGa/NiAs/GaAs等幾種。2.4磁光發(fā)射技術磁半導體材料的表征包括晶體質量、半導體特性和磁特性等幾方面。x射線衍射、斷面掃描顯微鏡(STM)和拉曼散射技術可用來研究磁半導體薄膜的晶體質量、晶格常數(shù)及界面處點缺陷和摻雜原子的分布等;x射線吸收精細結構測量技術(XAFS)和內核光發(fā)射譜能確定Mn原子的局域結構即其周圍的情況包括原子間距、原子種類和最近鄰原子數(shù)等;能帶寬度的測量用紅外吸收實驗實現(xiàn);載流子的類型、濃度、遷移率和磁阻的測量由Hall方法得到;磁性質包括易磁軸(磁的各向異性)、磁滯回線和磁疇等基本特性的研究需利用含超導量子干涉器件(SQUID)的磁量儀、磁力顯微鏡(MFM)和掃描Hall探針顯微鏡(SHPM)等;極性Kerr旋轉測量用于磁光效應的研究;Mn的組分由Ga和Mn的束流比和電子探針微分析儀確定;磁性材料一個很重要的物理量是居里溫度,其定義為材料體系由自旋無序轉變?yōu)榇庞行驙顟B(tài)(即發(fā)生鐵磁相變)的轉變溫度,它是從變溫的磁化系數(shù)(磁輸運的測量)推導而來的。3等固體源摻雜劑Ⅲ-Ⅴ族磁半導體的MBE生長通常需要Ga、Mn、In、Al、Fe、Ni、As和Sb等固體源,一般不用摻雜劑(也可用Be、Sn分別作p、n型摻雜劑)。Mn既能提供空穴載流子(由于其受主特性)又能提供局域化的自旋磁矩。Mn源使用前需先用硝酸和乙醇的混合液(1∶5)處理后,再用乙醇脫水,并在高真空環(huán)境下保持源爐1000℃,趕氣24小時。3.1非摻雜薄膜的表征Ⅲ-Ⅴ族稀磁半導體的研究始于InMnAs。1989年Munekata等人首次成功得到了Mn組分x≤0.18的In1-xMnxAs材料。他們發(fā)現(xiàn)在300℃低溫下生長的薄膜呈現(xiàn)鐵磁性(形成了MnAs),但在生長溫度為200℃時,薄膜是半磁性(形成了同相的合金)。(In,Mn)As的生長通常用InAs為襯底或緩沖層,性質隨生長溫度和Mn的組分變化。非摻雜的薄膜的導電類型在n型(9×1017cm-3)-半絕緣-p型(1019cm-3)之間,遷移率在400~500cm2/V·s范圍(遷移率相對于InAs的下降是合金無序和自旋無序散射引起的),通過改變生長條件或摻雜可使之變化。(In,Mn)As的晶格常數(shù)和帶隙都隨著Mn濃度的增加而減小(如圖2),帶隙減小的數(shù)值為30~50meV。(In,Mn)As的居里常數(shù)為C≈0.01±0.0015K,居里溫度為-22±5K(負號表示反鐵磁性)。磁矩測量(S=5/2),結果表明Mn以Mn2+存在。Koshihara等人研究了以GaSb為緩沖層生長的p-InMnAs的性質。他們發(fā)現(xiàn):當p-InMnAs厚度是10nm時,居里溫度為30~35K,厚度過高或低,居里溫度都減小;GaSb層中的空穴能轉移到InMnAs層中,從而增強空穴和Mn離子間的自旋交互作用。3.2ga-mnga,mnas磁單元(Ga,Mn)As的性質和生長條件如As壓、生長溫度等密切相關,目前能得到Mn的最大組分為0.08~0.1。(Ga,Mn)As的晶格常數(shù)隨Mn濃度的增大而增大(如圖2),滿足Vegard定律aGaMnAs=0.566(1-x)+0.598x。非摻雜的(Ga,Mn)As通常是p型的,載流子濃度在1017~5×1020cm-3之間,遷移率為7~12cm2/Vs,居里溫度50~110K。(Ga,Mn)As層中的磁場方向可通過改變應力而使其改變,如在伸應力時(InGaAs為緩沖層)磁場垂直表面;反之,壓應力時(GaAs為緩沖層)磁場則沿表面方向。研究還發(fā)現(xiàn)(Ga,Mn)As的居里溫度是Ⅴ/Ⅲ束流比的函數(shù),同時也和空穴的濃度密切相關。(Ga,Mn)As中磁性的起源來自于局域的Mn磁矩間通過空穴的中介發(fā)生的鐵磁交互作用。退火后的(Ga,Mn)As的晶體質量能有很大的提高,居里溫度在非最優(yōu)化生長條件下就能很容易地達到100K,而且材料的參數(shù)也能被調整到理想的數(shù)值。磁疇的尺度和形狀是磁性材料最基本的物理量,它們不但反映了微觀交互作用的強度和各向異性,而且直接與載流子的導電性能和磁記錄介質的磁單元的最小尺寸密切相關。Shono等人利用低溫掃描Hall探針顯微鏡觀察了(Ga,Mn)As的磁疇結構,發(fā)現(xiàn)其和常規(guī)的非半導體磁材料一樣是條紋形的。同時還發(fā)現(xiàn)在居里溫度以下,其磁疇區(qū)的寬度隨溫度的升高而增加,磁場強度隨溫度的升高而減小。3.3鐵磁/半導體異質結材料的制備MnAs是鐵磁性的半金屬材料,居里溫度為320K,因此人們一直希望利用其高達室溫的居里溫度來制備自旋電子器件。但長期以來MnAs/半導體的生長就不是一件很容易的事。目前這一領域有了很大突破,MnAs/GaAs(001)和MnAs/GaAs(111)B鐵磁/半導體異質結材料已成功得到了制備。在低生長速率和高As4/Mn束流比下,Schippan等人成功生長了MnAs/GaAs(001)材料,并研究其晶體結構和磁方面的一些性質如磁疇形成機理和磁場的高度各向異性等。Tanaka等人則在GaAs(111)B襯底上成功生長了MnAs/GaAs/MnAs鐵磁/半導體三層異質結薄膜,MnAs和GaAs的晶向分別是(0001)和(111)。他們發(fā)現(xiàn)GaAs可以在富As下(3×2)的(0001)MnAs表面生長,而且透射電鏡(TEM)顯示界面具有原子尺度的陡峭和光滑。3.4其他材料3.4.1度體材料ga1-xfexsb體材料的GaFeSb、GaMnSb稀磁半導體已成功得到了制備,但仍未見外延生長的報道。Karar等人研究了包含不同鐵離子濃度體材料Ga1-xFexSb的性質,包括室溫下的光吸收系數(shù)、禁帶寬度Eg和低溫PL的測量等。Basu等人對體材料GaMnSb進行光吸收測量后發(fā)現(xiàn)其帶隙Eg隨Mn的濃度增大而減小。NiMnSb是半金屬的鐵磁體,可用以提高自旋電子注入效率。Roy等人利用低溫MBE技術在GaAs(001)襯底分別用GaAs、AlSb為緩沖層生長了NiMnSb材料并對其磁特性進行了研究。3.4.2as、ala,mnas,n-mn的晶體結構及超晶材料的結構表征磁半導體的異質結和超晶格材料也得到了初步研究。MnGa/(Mn,Ga)As/MnGa、(Ga,Mn)As/AlA/(Ga,Mn)As、MnAs/GaAs/MnAs和(In,Mn)As/InAs、(In,Mn)As/(Ga,Al)Sb、(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As等異質結和超晶格材料的生長、界面的質量和結構、半導體和磁性質的表征等領域都已有人涉及。這些研究為進一步的器件應用打下了良好的基礎。3.4.3in,mnas點結構更低維的磁半導體由于具有更強的量子限制效應和更優(yōu)良的磁特性也得到了初步研究。Guo等人分別在(001)、(211)B和(311)BGaAs襯底上成功生長了(In,Mn)As量子點結構。擴展x射線吸收精細結構測試表明由于量子點和單層生長模式的不同,(In,Mn)As量子點中Mn更易替代As位原子。Shimizu等人則制備了帶GaAs/AlAs分布式布拉格反射器的多層鐵磁/半導體復合材料GaAs∶MnAs。該材料是一維的半導體基的磁光晶體,室溫下在控制波段顯示出增強的磁光效應。由于此結構能由所有的半導體材料組成,因此實驗結果可有助于半導體基的磁光器件與Ⅲ-Ⅴ基光電器件集成的研究。4分布在穴中的作用磁半導體一個獨特而重要的特點是磁極子的局域磁矩和電子(空穴)的自旋相互作用。能帶、電子結構、以及雜質都受此影響,而且在磁場下該作用會導致新的物理效應。目前,磁半導體特性的研究主要涉及磁輸運特性、自旋共振隧穿和層間磁耦合等幾方面。4.1在磁輸運方面的應用磁半導體的輸運特性和一般非磁半導體有很大不同,顯示出奇異的霍爾效應。Ohno等人研究p-(In,Mn)As的低溫磁輸運特性時首先發(fā)現(xiàn)了磁半導體的奇異Hall效應和大的負磁阻特性。他們認為這是由于空穴和Mn的3d自旋電子的相互作用引起的(形成束縛磁極子)。之后,他們又分析了GaMnAs的磁輸運現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)霍爾電阻和材料的磁化強度有很大關系。Omiya等人在低溫(50mK)和高磁場(≤27T)條件下測量了(Ga,Mn)As的磁阻并得到了其p-d交換能為1.5eV。Shimizu等人研究了低溫MBE生長條件對(GaMn)As的磁性和輸運特性的影響。他們發(fā)現(xiàn)隨著襯底溫度的增加和As過壓的下降,Ga1-xMnxAs(x=0.043)層的空穴濃度增加,導電行為也從半導體轉變到了金屬,同時居里溫度增高。這可從低溫MBE生長的與As有關的缺陷減小,Mn離子的補償也相應減小得到解釋。4.2旋轉軸軸-磁性氣體的作用自旋相關輸運發(fā)生在費米能級上有足夠的自旋粒子條件下即下旋或上旋的電子須達到很高的密度。自旋共振隧穿在磁半導體異質結能引起的大的隧穿磁電阻(TMR),其具有變化大、無方向性和負值等特性,在自旋電子器件上有著重要應用。H.Ohno等人研究AlAs/GaAs/AlAs雙勢壘共振隧穿(鐵磁性的p-(Ga,Mn)As和非磁性的p-GaAs分居兩側)電流-電壓特性時觀測到了一系列共振峰。他們發(fā)現(xiàn)當空穴從(Ga,Mn)As一側注入時,無磁場作用下的低于(Ga,Mn)As居里溫度時共振峰發(fā)生自發(fā)的分裂(HH2峰),共振峰分裂的溫度依賴性可用(Ga,Mn)As的價帶的自發(fā)自旋分裂得到解釋。Hayashi等人也對Au/Al2O3/(GaMn)As、(GaMn)As/AlAs/(GaMn)As磁半導體異質結的隧穿磁阻進行了研究,他們得到的最大磁阻比率為44%。4.3磁半導體磁兩個磁半導體材料間夾有一非磁半導體的結構可用來研究層間磁耦合現(xiàn)象。磁耦合的強度和中間隔離的非磁半導體的厚度有關。Chiba研究小組研究了(Ga,Mn)As/(Al,Ga)As/(Ga,Mn)As三層磁半導體的磁性質和輸運性質。他們觀測到了兩個(Ga,Mn)As層間的弱的鐵磁耦合以及自旋散射和自旋隧穿引起的磁阻效應。(Ga,Mn)As層間的耦合強度和磁阻比率隨溫度和非磁(Al,Ga)As層中Al組分的增加而增加。5磁半導體材料的應用自旋電子器件是磁半導體重要的應用方向。人們已提出了幾種自旋電子器件結構,其可行