Fe(Cu)摻雜Ge(Si)基稀磁半導體薄膜的結(jié)構(gòu)及磁性研究.pdf

1、在當今信息高速發(fā)展的時代，信息傳輸和存儲仍然是通過傳統(tǒng)的方法—分別控制電子的電荷和電子的自旋來實現(xiàn)。隨著人們對信息量需求的日益增大，傳統(tǒng)的半導體和鐵磁體獨立工作帶來的不足，越來越凸顯出來，集電子的電荷和自旋于一體的稀釋磁性半導體材料已成為當前最令人感興趣的研究領(lǐng)域。稀釋磁性半導體由于過渡族或稀土族磁性元素的摻入，使得該類材料與傳統(tǒng)的半導體相比，出現(xiàn)了許多奇異特性，具備良好的應(yīng)用前景。
　　 Mn摻雜Ⅳ族基稀磁半導體的理論研究和實

2、驗進展都已取得了可喜成果，但是關(guān)于其磁性起源和具體器件的應(yīng)用還有待更進一步的研究。本工作選取了過渡族元素Fe和Cu，對Si/Ge基半導體摻雜，具體工作如下：
　　 1.用磁控濺射法在Si基底上制備了Fe摻雜Ge1-xFex系列薄膜，基底溫度為473 K，經(jīng)873 K真空后退火20 min得到樣品。X射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)檢測顯示所有樣品具有Ge的立方結(jié)構(gòu)，沒有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相。樣品中的Fe主要以Fe2+離子形式存在，同時含有少量的

3、Fe0；Ge元素主要以Ge0形式存在于樣品，含有少量的Ge-O鍵和Ge-Fe鍵。Fe摻雜濃度為11.3％樣品中有Fe3+離子存在。磁性測量顯示樣品在低溫下具有弱的鐵磁性，居里溫度約為300 K，鐵磁性來源于隨機分布的磁性Fe原子。
　　 2.用金屬蒸發(fā)真空弧和考夫曼離子注入技術(shù)，在n-Si(100)基片中共注入Fe、N離子，制備Fe、N共摻的Si(Fe,N)薄膜樣品。X射線衍射(XRD)結(jié)構(gòu)分析表明，離子注入沒有改變基底的立方晶

4、格結(jié)構(gòu)，也沒有形成其他雜質(zhì)第二相。X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(XAFS)表明低注入劑量樣品中Fe離子處于替代位，高劑量注入樣品中有FeSi2化合物形成。磁力顯微鏡(MFM)觀察到磁疇結(jié)構(gòu)，磁性測量顯示低注入劑量(2.0×1016 cm-2)樣品有最大磁矩約0.46 μB/Fe，原位退火和后退火都減弱了樣品的鐵磁性。Hall測量顯示樣品是n型傳導，飽和磁化強度隨著電子載流子濃度的增大而減小。樣品的磁性不依賴于載流子，而是來源于處于替代位的Fe磁性

5、原子。
　　 3.用金屬蒸發(fā)真空弧離子注入技術(shù)，在n-Si(100)基片中注入Cu離子得到Si:Cu薄膜。X射線衍射(XRD)測量顯示不同劑量的Cu離子注入后樣品均由單晶Si變?yōu)槎嗑i晶格結(jié)構(gòu)，同時有Cu間隙、Si間隙和Si空位等缺陷形成，但是沒有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相。常注入態(tài)樣品中，Cu以Cu+離子形式存在，經(jīng)N2氣氛圍快速熱退火后，有少部分Cu2+離子出現(xiàn)。Hall效應(yīng)測量表明Cu+離子注入使得Si母體由n型傳導變?yōu)閜型。磁性測