GaN基磁性半导体材料研究

GaN基磁性半导体材料研究

摘要：磁性半导体材料与器件研究是自旋电子学研究中的一个重要方向，Mn掺杂GaN以及Fe掺杂GaN材料是磁性半导体材料研究领域的两个重要分支，本文中我们对这两个研究方向做了简要的分析与综述，同时我们用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长出Mn掺杂GaN材料以及Fe掺杂GaN材料，并对其结构以及磁学性能等进行了分析和讨论。

关键词：氮化镓室温铁磁性MOCVD

电荷是电子最基本的一个内禀属性，以电荷自由度为基础的传统电子学造就了现代半导体工业的辉煌。然而除了电荷，电子还具有另外一个内禀属性——自旋。在传统的电子学技术当中，电子的自旋特性并没有被充分利用。随着科学技术的进步，怎样有效的操控电子自旋从而设计新型的器件引起了科学家们的广泛关注，同时也促进了一门新的交叉学科——自旋电子学（Spintronics）的发展。作为自旋电子学材料的一个重要组成分类，磁性半导体是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分替代半导体材料中的非磁性元素后所形成的一类新型化合物半导体材料。相对于传统的磁性材料而言，其磁性元素的含量比较少，所以又称之为稀释磁性半导体。稀释磁性半导体在自旋电子器件的实现上有着很大的优势，在晶体结构上，稀释磁性半导体的制备完全可以借鉴现有的半导体制备工艺技术，在材料生长过程中进行同质外延，生长出高质量的薄膜，足以满足器件要求；另一方面，晶格中磁性离子介入后，能带结构由于塞曼分裂而产生巨大的自旋劈裂，从而产生自旋极化电流，所以完全可以充当自旋极化电流的源层应用到自旋电子学器件当中去。

目前关于稀释磁性半导体磁性起源的理论主要可以分为两类。第一类理论立足于平均场近似的前提之上。该理论认为，磁性离子均匀随机的以替位形式进入半导体晶格当中，并通过某种均匀场的形式相互耦合，从而对外显现出宏观铁磁性。第二类理论把磁性的产生归功于晶格中磁性原子集结成的纳米团簇，主要是指含量极少的磁性金属颗粒以及其他相化合物。而对于不同方法制备的稀释磁性半导体材料，其结构相对有所不同，也就导致了其磁学、光学以及输运性质的不同。在第一类理论之中，由Dietl等人提出的基于Zerner模型的平均场理论[1，2]被普遍接受用以解释稀释磁性半导体的磁性来源。Zerner模型最初被用来解释稀土金属的磁性起源问题，该模型认为磁性的产生来源于巡游电子与局域自旋之间的交换作用。Dietl等人发现基于该模型并结合考虑等效平均场、以及极化载流子诱导的离子间交换耦合作用的各向异性之后，可以很好的解释GaMnAs、InMnAs等DMS材料的磁学行为，并能相对准确的验证此类DMS材料的居里温度。尤为重要的是，该理论结果指出，当材料中Mn离子浓度达到5%、空穴浓度达到1020cm-3之后，ZnO、GaN以及其他一些半导体材料可以表现出室温铁磁性。虽然相对于目前的实验技术，这些条件比较难以达到，但该理论仍然掀起了ZnO、GaN基等稀磁半导体的研究热潮。N化物半导体材料具有比较小的晶格常数，从而使得价带轨道与磁性离子之间产生很强的杂化效应。所以，在N 化物稀磁半导体材料内部，价带空穴和局域磁性离子间的自旋相关耦合相对比较大，而这种自旋相关的耦合效应正是载流子诱导的铁磁耦合的关键。

目前，GaN薄膜的制备方法主要有分子束外延技术（MBE，Molecular Beam Epitaxy），金属有机物化学气相外延技术（MOCVD，Metal Organic Chemical Vapor

Deposition）和氢化物外延技术（HVPE）等。在各种生长方法中，前驱物的种类、衬底的选择、缓冲层的选择、生长温度等条件直接影响着薄膜的晶体质量。

由于Dietl等人根据理论计算表明，Mn掺杂的GaN材料其居里温度可以达到室温以上，所以大量工作很早就在Mn掺杂GaN领域展开，各种材料合成方法也被用来制备Mn掺杂的GaN材料，比如固态扩散[3]，分子束外延（MBE）[4]，离子注入（ion implantation）[5]和金属有机物化学气相沉积（MOCVD）等[6]。Reed等人[3]应用固态离子扩散的方式在MOCVD生长的GaN薄膜里成功的掺入了Mn离子。通过XRD和TEM表征证实，样品保持了很好的均一性，没有磁性第二相物质存在。VSM结果表明，样品具有室温铁磁性。更为重要的是，不同温度下输运性质的测量，显现很明显的反常霍尔效应，从而在一定程度上说明了VSM观察到的铁磁性为内禀铁磁性。Kane等人应用MOCVD方法制备出Mn掺杂、（Mn，Mg）共掺以及（Mn，Si）共掺GaN薄膜[7]，对于Mn 掺杂浓度为0.8%的样品，他们观察到了明显的磁滞回线图，样品具有很明显的室温铁磁性。但是对于（Mn，Mg）共掺的样品，几乎没有铁磁行为存在。他们对样品进行了热退火处理，希望激活样品内部的Mg离子，但是经过退火的样品其导电特性和磁学性能和未退火时几乎一样。通过SIMS测量他们发现，当固定Mn有机源流量时，随着Mg离子浓度升高，生成样品中Mn的浓度不断下降。于是可以得出这样的结论，（Mn，Mg）共掺的GaN样品生长时，与Mn离子相比，Mg离子更容易进入GaN晶格；Mg离子的进入减少了Mn离子的浓度，从而大大降低了样品的铁磁性。

Fe掺杂GaN材料的研究工作早期作主要集中在电学和光学的性能研究上，各种制备方法也被应用到该材料的制备上来。H.Akinaga及其合作者采用低温MBE技术制备出均质Fe掺杂GaN样品，并用TEM、EXAFS等手段对材料进行了分析[8]。应用EXAFS技术对样品的局域微观结构进行分析，证实了绝大多数的Fe离子取代Ga离子进入晶格，并且保证了Fe原子周围晶格的短程有序性。Theodoropoulou等人通过离子注入方法制备出了含Fe离子浓度高达5%的p型Fe掺杂GaN样品[9]。他们用传统MOCVD工艺制备出空穴浓度为3×1017cm-3的P型GaN样品，随后把高能Fe离子注入样品之中。同样，通过TEM分析可以得出结论，样品中没有第二相物质或纳米团簇的存在。样品在低温（10K）时具有很明显的铁磁性，掺Fe浓度为3%的样品其居里温度更是高达约250K，然而5%样品的居里温度略低于3%的样品，该小组认为，这是由于随着注入离子量的增加，会引发更多的缺陷以及施主能级，降低了样品中的空穴浓度，从而减弱磁性。对于载流子诱发铁磁性机制来说，这是一个很好的结果。