稀磁半導體材料開發及其特性研究

Diluted-magnetic-semiconducting materials and the characterization

林宏達(Lin Hung-Ta)

指導教授 ： 金重勳

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2006年)

摘要

近幾年由於自旋電子學快速的發展,吸引了世界上許多尖端的研究團隊投入大量的人力及資源，致力於將電子自旋與現今的半導體工業結合起來，而使得以半導體為基礎的自旋電子學逐漸成為目前最熱門的研究主題之一。在本篇論文中，將著重於半導體自旋電子學的新材料開發，以及其材料相關物理性質之研究，例如:微結構分析、居禮溫度、以及磁異向性等。本論文可以細分成三個主要的研究主題:第一個研究主題將著重於新型稀磁性半導體材料的研究與開發。在固態反應法所製作的鈷添加氧化鋅塊材中，顯現高於室溫的鐵磁特性，甚至高於350 K。除此之外，我們亦發現不同的淬火條件以及銅元素的共添加將會明顯影響磁性的表現，經由電子顯微鏡以及X光繞射儀鑑定其微結構特性，氧化鋅的晶格常數隨著添加鈷含量或銅含量的增加而分別有些微的增加與減少的趨勢。利用化學分析能譜儀以及次奈米級X射線能量散佈分析儀觀察鈷元素的化學環境及分布狀態，可發現鈷元素呈現均勻的散布於氧化鋅的基材中，並形成單一穩定的固溶體相，並無顯現任何的二次磁性相或鈷團簇。在磁性研究方面，我們認為鐵磁性特性跟材料中的載子濃度有著密切的關係，抑制n型載子的形成，將會有效的增強磁性的表現。在第二個研究主題方面，我們藉由平面霍爾效應的量測來觀察在(Ga,Mn)As磊晶薄膜以及錳delta添加異質結構中的磁異向特性。對於(Ga,Mn)As磊晶薄膜以及錳delta添加的異質結構而言，對應的平面霍爾電阻變化分別約為90及300歐姆，然而對一般的磁性金屬而言，其變化約只有幾個微歐姆左右。這個顯著的電阻變化提供我們一個穩定且精確的分析方式進而檢測稀磁性半導體的各項磁特性，例如:居禮溫度、磁異向性、以及磁化反轉情形。經由實驗結果發現，(Ga,Mn)As磊晶薄膜主要呈現一個<110>雙軸磁異向性﹔而在錳delta添加異質結構方面，則呈現一個[110]單軸磁異向性，此結果相當的有趣，因為此異質結構的基板為閃鋅礦結構的砷化鎵，亦即為等方向性的立方型結構。截至目前為止，此單軸磁異向性的機制雖未相當的清楚，但經由文獻的報導，我們認為在錳delta添加的原子平面上，由於局部化的高載子濃度及高含量的錳原子，而會使得原為<110>雙軸磁異向性逐漸轉變成為[110]單軸磁異向性。最後，在第三個研究主題方面，我們發現將IrMn/(Ga,Mn)As異質結構經由短時間的後熱退火處理，可得到具有高居里溫度的鐵磁性Mn(Ga)As奈米薄膜。即使退火溫度只有100 oC，此一Mn(Ga)As薄膜仍可自組裝於反鐵磁層IrMn與稀磁性半導體層(Ga,Mn)As之間，藉由電子顯微鏡分析，我們發現此Mn(Ga)As薄膜的厚度將隨著退火溫度的增加而變厚，且呈現相當平整且均勻的高品質介面。除此之外，我們亦觀察到經由場退火處理過後的IrMn/Mn(Ga)As/(Ga,Mn)As異質結構，在低溫時呈現明顯的交換異向性，對溫度10 K而言，其對應的矯頑場與交換異向場分別約為260 ± 10 G 及 90 ± 10 G，此現象亦說明了在反鐵磁層IrMn與奈米鐵磁層Mn(Ga)As中存在著相當強的交換作用力。

關鍵字

稀磁半導體 ； 氧化鋅 ； 鎵錳砷

並列摘要

無資料

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參考文獻

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