[發明專利]一種獲得厚度大于10nm的室溫鐵磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法

有效

• 申請號: 201410552789.1
• 申請日: 2014-10-17
• 公開（公告）號: CN104332304A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 趙建華;王海龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01F41/14
• 分類號: H01F41/14;H01F10/32
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明屬于自旋電子學技術領域，涉及到利用低溫分子束外延方法生長鐵磁金屬/(Ga，Mn)As雙層磁性薄膜及利用超導量子干涉儀進行相關磁性測量的技術，尤其涉及利用特殊結構設計從而分離鐵磁金屬和(Ga，Mn)As宏觀磁信號并獲得厚度大于10nm的室溫鐵磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法。

背景技術

隨著基于電子電荷自由度的傳統微電子學中摩爾定律的逐漸失效，基于電子自旋自由度的自旋電子學開始蓬勃發展。金屬自旋電子學中的一系列自旋相關效應如巨磁阻效應已經在磁性存儲中得到了廣泛運用，產生了巨大的經濟效益。然而，為了利用自旋實現邏輯運算，需要能在半導體中產生自旋極化。最有效的方法是在半導體中摻入過渡族金屬使其具備鐵磁性，獲得所謂的磁性半導體如被廣泛研究的(Ga，Mn)As薄膜等。然而，(Ga，Mn)As薄膜等磁性半導體低于室溫的居里溫度極大地限制了它的實際應用。

迄今為止，唯一能將(Ga，Mn)As的居里溫度提高到室溫的方法是在(Ga，Mn)As薄膜上面外延一層高質量的強磁性金屬，利用強磁性金屬與(Ga，Mn)As薄膜中Mn離子的界面相互作用使其居里溫度大幅提高。然而，關于這方面的報道都發現僅有在雙層膜界面處約2nm厚的(Ga，Mn)As薄膜能在室溫300K下保持鐵磁性，仍難以投入實際應用。

若能通過一種方法提高磁近鄰效應作用下室溫鐵磁性(Ga，Mn)As薄膜的厚度，將極大推動(Ga，Mn)As薄膜等磁性半導體的實際應用。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種獲得厚度大于10nm的室溫鐵磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，以獲得高質量的厚度大于10nm的室溫鐵磁性(Ga，Mn)As薄膜。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種獲得厚度大于10nm的室溫鐵磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，包括：

在脫氧后的半絕緣GaAs襯底上高溫生長用于平滑襯底表面的GaAs緩沖層；

降低生長溫度，在GaAs緩沖層上生長(In，Ga)As緩沖層；

降低生長溫度，在(In，Ga)As緩沖層上生長(Ga，Mn)As薄膜；

在(Ga，Mn)As薄膜表面沉積一層面內易磁化的鐵磁金屬；以及

在鐵磁金屬上生長一層Al薄膜用于防止鐵磁金屬氧化。

上述方案中，所述在半絕緣GaAs襯底上高溫生長GaAs緩沖層，是采用分子束外延技術在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層，用于平滑樣品表面，生長溫度為580℃。

上述方案中，所述降低生長溫度，在GaAs緩沖層上生長(In，Ga)As緩沖層，是采用分子束外延技術在GaAs緩沖層上生長(In，Ga)As緩沖層，使得樣品表面晶格常數變大，生長溫度為470℃-510℃。

上述方案中，所述降低生長溫度，在(In，Ga)As緩沖層上生長(Ga，Mn)As薄膜，是采用低溫分子束外延技術在(In，Ga)As緩沖層上生長(Ga，Mn)As薄膜，使得(Ga，Mn)As薄膜具有垂直于樣品表面的單軸磁各向異性，生長溫度為200℃-240℃。

上述方案中，所述在(Ga，Mn)As薄膜表面沉積一層面內易磁化的鐵磁金屬，是采用分子束外延技術在(Ga，Mn)As薄膜表面沉積一層具有單軸磁各向異性的鐵磁金屬，所述鐵磁金屬為Fe薄膜，或者為半金屬Co₂FeAl或Co₂MnAl。

上述方案中，所述在鐵磁金屬上生長一層Al薄膜，是采用分子束外延技術在鐵磁金屬上生長一層Al薄膜，用于保護樣品防止其氧化。

上述方案中，該方法在在鐵磁金屬上生長一層Al薄膜之后，還包括：利用超導量子干涉儀表征樣品的磁性質。

上述方案中，所述利用超導量子干涉儀表征樣品的磁性質，包括：利用超導量子干涉儀測量樣品在不同溫度下的磁滯回線；用稀鹽酸選擇性腐蝕樣品中(Ga，Mn)As薄膜上覆蓋的鐵磁金屬，并利用超導量子干涉儀測量樣品的磁滯回線；通過對比Fe/(Ga，Mn)As和單層(Ga，Mn)As薄膜在不同溫度下的磁滯回線，判斷Fe/(Ga，Mn)As雙層磁性薄膜中的(Ga，Mn)As薄膜是否具有室溫鐵磁性。

上述方案中，所述利用超導量子干涉儀表征樣品的磁性質，還包括：利用超導量子干涉儀測量樣品磁矩沿不同晶向的分量隨溫度的變化關系，若在(Ga，Mn)As薄膜易磁化軸方向，即垂直樣品表面的方向，沒有明顯拐點且樣品磁矩不為零，則能夠進一步證明(Ga，Mn)As薄膜的室溫鐵磁性。