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基于第IV族半导体材料的高居里温度高载流子迁移率铁磁性半导体薄膜

2020-08-17

从昔日的“春江何处无月明”到现在的“江水春流去欲尽”,磁性半导体的研究可谓跌宕起伏。2005年,正值磁性半导体研究热潮期,国际顶级期刊Science提出了125个全世界最前沿的科学问题,是否可以制备出室温下的磁性半导体即为其中之一。事实上,理想的磁性半导体应同时兼具高居里温度铁磁性和高载流子迁移率等特性,这对于实际半导体自旋电子器件中自旋电流的产生和传输至关重要。近年来,研究者们对基于不同材料体系的磁性半导体进行了大量探索,已在提升磁性半导体的铁磁性居里温度方面取得了一系列重要进展,而今后续研究工作也进入了深水区。与此同时,由于磁性掺杂原子和其他缺陷引入的各类散射,目前磁性半导体的载流子迁移率仍然较低,而由于磁性材料固有的反常霍尔效应带来的测量困难,连磁性半导体中载流子迁移率的准确测试研究也不多见。因此,研制兼具高居里温度铁磁性和高载流子迁移率的磁性半导体是一项极具挑战性的工作。

为了实现这一目标,四川大学向钢教授团队与四川大学汪渊教授、兰州大学彭勇教授团队合作,提出并展示了一种新的方案,在与当前主流硅工艺兼容的第IV族半导体硅锗合金薄膜中,通过应力调制与磁性元素掺杂相结合的方法,获得了高居里温度(最高值280 K)铁磁性和高空穴迁移率(最大值1003 cm2 V-1 s-1),如图所示。本工作采用射频磁控溅射法在锗基底上制备锰掺杂的硅锗合金薄膜,随后通过非平衡态快速热退火使薄膜结晶。实验证实,快速退火后的样品成为铁磁性半导体,其居里温度随着锰掺杂浓度的增加而升高,并在5% 锰浓度下达到280 K。实验数据和理论分析表明,样品的铁磁性来自空穴介导过程,并通过硅锗晶体中的拉伸应变使其铁磁序得到有效增强。另一方面,为消除或减弱反常霍尔效应影响而进行的33 T强磁场下的霍尔效应测试表明,由于拉伸应变诱导的能带结构调制,特别是拉伸应变导致的价带顶的轻/重空穴分离,退火样品的空穴迁移率得到了极大提高,其最大值达到1003 cm2 V-1 s-1,比其他磁性半导体高出了2个数量级。简言之,应力调制的锰掺杂硅锗合金半导体薄膜显示出高居里温度铁磁性和高空穴迁移率。因硅锗合金半导体中的硅锗两种元素可无限互溶从而易于调控比例以调控应力和能带结构,且硅锗合金半导体与当前的硅工艺技术可无缝衔接,此材料体系可望为半导体自旋电子学研究提供一个富有潜力的重要平台。

图1. 应力调制的锰掺杂硅锗合金薄膜的结构与表征。

相关研究成果于2020年7月15日以“High Curie Temperature Ferromagnetism and High Hole Mobility in Tensile Strained Mn-doped SiGe Thin Films”为题发表在Advanced Functional Materials上。硕士生王焕明为论文第一作者,向钢教授为唯一通讯作者,四川大学为唯一通讯单位,合作单位为兰州大学。此工作中的磁输运测试得到中科院合肥强磁场中心田明亮教授团队和中科院半导体所赵建华教授团队的支持与协助。

论文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202002513

 

 



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