Fe(Cu)掺杂Ⅳ族基稀磁半导体薄膜的结构及磁性研究

摘要

在传统半导体工业中,Si一直是最基础的研究材料。过渡族元素掺杂Ⅳ族基半导体可以与现有的Si基微电子器件相集成,因此对于现代半导体工业的研究和集成,Ⅳ族基稀磁半导体(DMSs)具有更广泛的使用价值。近些年关于过渡族元素Mn掺杂Ⅳ族基DMSs的工作已被广泛研究,而其它过渡族元素(如:Fe、Cu、Cr等)的研究却为数不多。此外,由于样品中可能存在的第二相的干扰,使得样品铁磁性的来源仍是争论的话题。
　　鉴于此,本文选取了过渡族元素Fe和Cu,利用非平衡的生长方法对Ⅳ族基半导体进行掺杂。为了准确的评价样品的铁磁性,我们采用更精准的测试手段对样品的微结构进行了表征。
　　1、利用金属蒸发真空弧(MEWA)和考夫曼源(Kaufman)技术,分别在室温与673 K下制备了Fe、N离子共注入n-Si(100)基片。对于室温下制备的样品,X射线吸收精细结构(XAFS)表明低注入剂量(2.0×1016cm-2)样品中大多数的Fe离子处于替代位,而高剂量(5.0×1016与2.0×1017cm-2)注入样品中有反铁磁FeSi2化合物形成。磁性测试表明所有共注入样品具有室温铁磁性。FeSi2相的形成导致饱和磁化强度(Ms)随着注入剂量的增加而减小。由于自退火效应的加强促使更多的FeSi2化合物形成,从而导致高基底温度下制备的样品的室温铁磁性弱于室温下制备的样品。样品的铁磁性来源于处于母体替代位的Fe离子。
　　2、利用离子束溅射与MEVVA技术制备了不同注入剂量的Fe离子注入到si1-xGex(x=1、0.848、0.591、0.382、0.209、0.064、0)薄膜的系列样品。采用XAFS测试了Fe掺杂Si1-xGes薄膜样品中Fe的局域微结构。结构分析表明低剂量的Fe离子注入到富Ge的Si1-xGex薄膜(包括纯Ge薄膜)的退火样品中,几乎全部的Fe离子在母体中替代了Ge位,而高注入剂量的退火样品中大部分的Fe离子形成了反铁磁Fe6Ge5杂相。研究还发现,Fe在纯Ge薄膜中的固溶度最高,固溶度随着Si含量的增加而降低,并且退火可提高Fe在富Ge的Si1-xGex薄膜中的固溶度。比较Fe离子注入Si1-xGex薄膜(x=1、0.848、0.591)的制备态样品与退火样品,可发现室温下纯Ge系列的样品铁磁性最强,随着Ge含量的减少,铁磁性减弱。此外,退火可增加处于替代位的Fe离子的数量,从而导致退火后样品Ms增大。通过实验与理论分析可知Fe离子掺杂富Ge的Si1-xGes薄膜样品的铁磁性来源于Si1-xGex母体与处于替代Ge位的Fe离子间的s,p-d交换相互作用,铁磁性是由电子载流子传递的,属于样品的本征铁磁性。
　　3、利用离子束溅射与MEVVA技术制备了Fe离子注入Sio.791Ge0.209薄膜与Fe离子注入Si0.773Ge0.204C0.023薄膜的两系列样品。XAFS测试了Fe在Si0.773Ge0.204C0.023母体中的局域微结构。结构分析表明低剂量样品中的大多数的Fe离子在Si0.773Ge0.204C0.023母体中处于替代Ge的位置,而在高剂量样品中有反铁磁Fe6Ge5相的存在。然而,在Fe离子注入Si0.79lGe0.209薄膜的样品中均有反铁磁的Fe6Ge5相形成。我们发现母体中有C的加入有助于母体与Si衬底晶格匹配度的提高,有利于Fe离子在该母体中处于替代位,可有效抑制Fe离子注入后杂质相的产生。磁性分析表明Fe掺杂Si0.773Ge0.204C0.023薄膜的系列样品的室温铁磁性明显强于Fe掺杂Si0.791Ge0.209薄膜的系列样品。样品的铁磁性来源于在母体中替代Ge位的Fe离子,铁磁性由电子载流子传递,属于样品的本征铁磁性。
　　4、用MEVVA和Kaufman源技术制备了Cu离子注入Si半导体样品与Cu、N离子共注入样品。结构分析表明所有样品均无第二相。当Cu离子注入到n型Si基底后转变为p型半导体,在p型环境中Cu离子以Cu+形式存在,导致Cu离子注入样品在室温下均显示为抗磁性。而Cu、N共注入样品均具有室温铁磁性,因为N离子的引入使载流子类型由Cu注入样品的p型转变为n型,n型环境有利于Cu2+的产生,共注入样品的室温铁磁性来源于电子载流子传递的Cu2+之间的交换相互作用。