分子束外延制备稀铁磁性MnxGe1-x量子点研究进展

• 作者: 李广洋 杨宇 杨杰 王茺 黄训吉
• 来源期刊: 材料导报
• 学科: 工学
• 关键词: Mn掺杂 Mnx Ge1-x量子点 Mnx Ge1-x薄膜 高居里温度 稀磁半导体
• 年，卷（期）: 2018,（19）
• 所属期刊栏目: 无机非金属及其复合材料
• 页码范围: 3338-3347
• 页数: 10页
• 分类号: TB34
• 字数: 8081字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11896/j.issn.1005-023X.2018.19.008

摘要

稀磁半导体(Diluted magnetic semiconductors,DMSs)能同时利用电子的电荷和自旋特性,从而具有了半导体材料和磁性材料的双重性能,它利用载流子及其自旋,使自旋电子器件应用于信息存储、传输、处理成为可能.因而,作为微电子产业的重要组成部分,Mn掺杂的Ge量子点(Quantum dots,QDs)稀铁磁性半导体材料由于具备与当今Si基微电子学技术的兼容性以及具有比Ⅲ-Ⅴ族DMSs更高居里温度(Curie temperature,TC)的可能性而引起广泛关注.制备的Mnx Ge1-x QDs自旋电子器件具备小尺寸、低能耗、数据处理快、集成度高、稳定性好等优异性能,对未来自旋电子器件的发展起到举足轻重的作用.虽然,由Mn掺杂的Ⅳ族Mnx Ge1-x QDs DMSs材料被认为是实现室温可操控性电子自旋器件以及可控铁磁性能的理想材料候选者.但想要制备高性能、高稳定性的Mnx Ge1-x QDs DMSs材料依旧面临诸多挑战.其一,虽然通过提高基质中磁性掺杂剂的浓度可以使系统获得高的TC,但Mn掺杂剂在Ge中的极限溶解度值远低于致使系统获得高TC的掺杂剂浓度值;其二,Ge1-x Mnx QDs中高的Mn掺杂浓度容易导致金属间析出相(如:Mn5 Ge3和Mn11 Ge8)的形成;其三,Mn掺入到Ge QDs中需要低的生长温度和低的表面扩散率,而QDs的自组装生长总是需要高的生长温度和高的表面扩散率,即实现更高的亚稳态掺杂水平可能是增强DMSs的TC的主要限制因素;其四,铁磁性和高TC的起源和增强机制的理论解释仍不明确,值得深入探究.因此,近年来研究者们主要从选择合适的生长参数,优化Mnx Ge1-x QDs薄膜的制备工艺方面不断尝试,并取得了丰硕的成果.其一,MnxGe1-x QDs的TC提高至400 K以上;其二,明确了金属间析出相(Mn5Ge3和Mn11Ge8)的TC分别为296 K和270 K,其TC趋于室温;其三,发现了电场控制铁磁性能和磁运输性能,首次将电场控制铁磁性温度提高至300 K,并将其归结为量子限制效应;其四,由于Mnx Ge1-x QDs中量子效应的存在,硼(B)的调制掺杂可以增加Mnx Ge1-x QDs中的空穴浓度,从而增强其TC.本文归纳了Mnx Ge1-x稀铁磁性半导体材料的研究进展,重点归纳了分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)制备稀铁磁性Mnx Ge1-x QDs的研究进展.并分别介绍了各生长参数对Mnx Ge1-x QDs的形态及其磁性能的影响.分析了目前研究中仍待解决的难点,展望了该材料在微电子领域的应用前景.