硅基稀磁半导体材料.doc

硅基铁磁半导体材料 ——MBE生长条件研究 物理系03级 龚岚 导师 物理系 蒋最敏 教授 摘要：我们研究了一种IV族铁磁半导体材料FexSi1-x的MBE生长条件并对铁掺杂源蒸发速率进行了定标。我们得到了合适的衬底温度为250℃；硅源蒸发速率宜控制在0.1 ?/s~0.2 ?/s。通过定标，我们能控制掺杂浓度在5%~10%左右。同时，我们也对样品进行了结构表征和磁学特性的研究 关键字：铁磁半导体 硅基 铁 MBE 引言 所谓“铁磁半导体材料” (Diluted Magnetic Semiconductor，简称DMS), 就是把磁性离子随机掺入半导体材料替换其中的非磁性结构，可以让半导体兼具半导体性和铁磁性（Fig1(B)）。近十几年来，由于“自旋电子学”[1-3]作为一门新兴学科成为国际学术热点，铁磁半导体材料也吸引了越来越多人的兴趣并得到了广泛研究。1989年，Munekata在 In1-xMnxAs中发现自发磁化[4];1996年，Ga1-xMnxAs [5-7]也被发现具有铁磁性，两者的掺Mn浓度都在5%。尽管此后III-V和II-VI族铁磁半导体材料已被大量研究，但我们对以硅、锗为代表的IV族元素更感兴趣，因为它们是当今半导体器件中的常用材料。2002年，Y.D.Park在《Science》上首次发表了关于MnxGe1-x的报告[8],为IV族铁磁半导体研究掀开了新的一页。此后，MnxSi1-x[9,10]、FexGe1-x[11]相继被研究。而我们对目前较少得到关注的FexSi1-x铁磁半导体材料,特别是对其MBE生长条件进行了研究。由于铁是很常见的磁性元素，而硅又是最普遍的半导体材料，将它们俩者共掺后可能得到的新的特性引起了我们极大的兴趣。再者，正是因为关于FexSi1-x的研究尚不及以上几种材料全面，本文中对其MBE生长条件的研究是具有一定意义的。 实验仪器及表征方法 样品生长以及俄歇测量都是在Riber SSC MBE系统(Fig2)中进行的，它由进样室、分析室以及生长室构成，容积分别为200L、800L和1600L。三个室之间被超高真空阀门隔离，样品则通过真空磁力传送杆在它们间运送。每个室都装有独立的离子泵作为主泵。而前级泵系统由油泵和涡轮分子泵组成，为三个室所共享。生长室也装有一个涡轮分子泵，当气体被通入室内时可用来维持室内的真空度。除了真空泵系统，生长室中有两个电子束蒸发源、一个Knudsen cell（努森坩埚）、两个晶振仪用来监控样品厚度以及反射高能电子衍射器仪(RHEED)。蒸发源（本文中为硅源及铁掺杂源）与生长室间用挡板隔离，可被加热到上千度从而把源内物质蒸发到生长室中。被蒸发物质的原子将层层吸附在衬底上，形成薄膜。进样室可用来对样品进行前期热处理并可在两个小时内使真空度达到10-5Pa。分析室主要用来进行俄歇测量，分析样品表面组分。样品生长在生长室中进行，此时真空度可达到10-6Pa，并需从外界通入液氮保持真空度恒定。 我们用到的表征方法主要有：俄歇电子能谱(Auger Electron Spectrometry,以下简称AES)、反射高能电子衍射法（以下简称RHEED）、X射线衍射法(X-Ray Diffraction,以下简称XRD)、原子力显微镜(Atomic Force Microscope,以下简称AFM)、 Physical Properties Measurement System(以下简称PPMS)。 Fig2:分子束外延（MBE ）系统图示 实验方法 把样品放入进样室抽真空前，作为衬底的硅片表面必须采用Shiraki方法清洗（下文中硅衬底类型若未标明，都是P型）:分多步骤往装有硅片的烧杯中加入以一定比例配置的硫酸、双氧水、氢氟酸、硝酸、氨水、盐酸，而且在每一次加入以上溶液前，都要用去离子水反复冲洗上一步的残余液。 在正式生长开始前，还需对硅衬底作热处理，一般在半小时至45分钟内将其加热到800℃以上，并保持20分钟左右，然后降温至650℃，并用RHEED观察其表面再构。然后，让衬底保持在650℃，开启硅源，在衬底上生长一层约400?的硅缓冲层。然后，关闭硅源与生长室之间的挡板，样品进一步降温至所需的衬底温度，同时加热铁掺杂源至所需温度。当源的蒸发温度保持稳定后，同时开启铁源和硅源挡板，与生长室联通，硅原子和铁原子将吸附在硅衬底上，实现硅铁共掺。样品中的硅铁含量百分比由它们的蒸发速率之比决定，硅源蒸发速率已定标，但铁需要另外定标（下文中有讨论）。 生长结束后，关闭硅源和铁源，并让样品在800℃下退火。最后用RHEED观察样品的表面结构，并将其送进分析室观察AES谱。最后取出样品留待其它表