本项创新技术聚焦于稀磁半导体薄膜的研发,特别介绍了一种采用分子束外延生长技术(MBE)制备的p型含碘稀磁半导体薄膜。该薄膜由Zn和Cr组成,具有独特的电子特性和磁性能,为稀磁半导体材料的应用提供了新的可能性。
背景技术
当前的社会,随着互联网的蓬勃发展,信息的交换容量以及交换速度也越来越快,这就要求基于数据交换的硬件性能越来越高,需要电子工学能进一步发展,如以Si为基础材料的半导体晶体管的加工最小线宽已低至5nm,另外一些如光电器件的开发也日新月异。这些是利用半导体中的载流子来进行信息的传导和运算处理。另一方面,信息的记录和保存的媒介如硬盘驱动器(HDD)等,是利用磁性体的电子自旋来进行的信息存储和处理。随着巨磁阻效应以及隧穿磁阻效应的发现,多数研究者认为,可以同时利用磁性体的电子自旋和电荷移动两方的自由度来进行信息的存储、传输和运算。
基于以上,多数的研究对象为半导体、金属和绝缘体。由于在半导体中很容易实现电荷的移动和光电子的控制,因此半导体中添加磁性元素成为一种重要的研究对象,被称作稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors:DMS)。在对DMS的研究中,研究对象为不同元素物质的组合、材料的生长、以及微尺度结构的加工技术等。
在众多DMS材料研究当中,基于III-V族化合物半导体,如InAs和GaAs半导体中的一部分III族元素和Mn元素置换后,(In,Mn)As和(Ga,Mn)As材料可以呈现出铁磁特性。基于II-VI族化合物半导体,如ZnSe和ZnTe中一部分Zn元素和Cr元素置换后,(Zn,Cr)Se和(Zn,Cr)Te可以呈现出铁磁特性。另外,为了实现对电荷的控制,有必要对如上材料进行掺杂,以获得p型或n型稀磁半导体。如n型(Zn,Cr)Te半导体,施主杂质元素一般有Cl、Al、I等元素。p型(Zn,Cr)Te半导体,受主杂质元素一般有N、As、P等元素。掺杂方法有MBE法和MOCVD生长法两种。无论是采用MBE法或者是MOCVD的生长法,在对金属/金属化合物加热生长过程中,各种元素会因为热平衡时共价结合能的问题,形成如Zn-Zn结合、Te-Te结合,施主杂质间的结合等,从而导致半导体材料的局部区域会析出磁性元素,从而失去半导体本身的特性,显现出金属的特性。
(Zn,Cr)Te材料是一种绝缘体,很难通过外部电压来控制载流子在材料中的移动,因此也无法利用该材料制作如光自旋探测器、spin-MOSFET等器件。在此前提下,有必要对此材料进行掺杂,以形成p型或n型半导体,才能对电荷进行控制。Ozaki等人(Suppressionof ferromagnetism due to hole doping in Zn1-xCrxTe grown by molecular-beamepitaxy[J].Applied Physics Letters,2005,87(19):1488.)使用N原子作为受主材料添加进(Zn,Cr)Te后发现,当N原子的浓度达到1019~1020cm-3后,即使(Zn,Cr)Te:N中Cr浓度为10%的情况下,材料不呈现铁磁特性。
发明人认为N原子的添加改变了Cr最外壳3d电子的状态,导致Cr原子间的结合能变大,使得Cr原子在排斥力的作用下相互远离,降低了Cr原子的亚稳态分解几率,削弱了Cr-Te-Cr之间的二重相互作用,因此导致材料无法在2K的温度下呈现铁磁特性。
实现思路