自旋注入宽禁带半导体ZnO及新型FMS/NM/FMS异质结的自旋注入分析

摘要

自旋电子学是最近二十年来建立和发展起来的一门集磁学、半导体学、微电子学，信息技术、纳米技术等的新型交叉学科。它在介观尺度范围内研究自旋极化电子的输运特性(包括自旋极化、自旋相关的散射、自旋注入与自旋驰豫等)，同时利用电子的电荷和自旋两种特性作为信息的载体，开发研制在新的机理下工作的自旋电子器件。自旋电子器件以其高速度、高集成度、低功耗、快响应、高存储密度等优点，日益受到世界上越来越多企业的青睐和科研小组的关注。 自旋极化电子有效地注入到半导体中的难题严重阻碍了自旋电子器件的进一步开发和利用。Schmidt等人利用扩散输运模型，理论上证明：由于金属和半导体的电导不匹配，计算得到的电流自旋极化率很低，磁电阻很微弱，无法实验测量。因此利用铁磁金属作为自旋注入源实现半导体的自旋极化电子注入是不可能的。理想的自旋注入源应是那些阻抗与半导体相匹配的自旋极化的材料，如铁磁性半导体，或者自旋极化率接近100％的半金属。 我们利用磁控溅射设备，通过重复交替溅射Co和ZnO的办法制备了CoZnO铁磁性半导体。详细研究了CoZnO(d<,ZnO>=0.5nm)样品的性质。XRD和HETEM观察发现，该半导体薄膜成分相对均匀的单一相组织，无明显的Co颗粒第二相存在，为六方的纳米晶结构。晶粒的平均尺寸约为4-6nm。利用选区电子衍射观察到ZnO(002)和Co(0002)结构的衍射环，说明在不同的微区域内存在成分的物理涨落，即存在比较而言的富ZnO区和富Co区。磁性测量发现，CoZnO(d<,ZnO>=0.5nm)的样品从低温到室温都具有相当高的磁矩：在5K下达到782emu／cm<'3>，相当于1.05μ<,B>／Co；在290K下降至58lemu／cm<'3>，相当于0.7Sμ<,B>／Co。在5K时，CoZno(d<,ZnO>=0.5nm)样品的矫顽力为13000e，随着温度的升高而降低，在室温290K下，降为几十Oe。CoZnO(d<,ZnO>=0.5nm)的样品具有比较大的磁电阻效应：当磁场垂直于膜面时，4.8K的磁电阻高达36％，室温290K的磁电阻也达到ll％：当磁场平行于膜面时，低温4.3K的磁电阻高达30％，220K的磁电阻为lO％。但样品的饱和场较高，大于2T。在饱和场和零场下电阻随温度的变化均满足T<'-1/2>关系，遵从Efros变程跃迁导电机制。我们得出结论，我们所制备的CoZnO样品为单相非匀质的室温氧化物铁磁性半导体。 我们在室温下通过磁控溅射和湿法光刻工艺制备了2×(FeNi/CoZnO)／ZnO／(CoZnO／Co)×2的异质结，以进行自旋注入半导体的实验。其中，ZnO厚度分别为3nm和10nm。在这种异质结构中，通过CoZnO和铁磁性金属的复合既实现了降低CoZnO饱和场的目的(降到500Oe左右)，同时又可以通过选择不同的铁磁金属与CoZnO复合实现对其矫顽力大小的调节和控制。这样，利用FeNi／CoZnO和CoZnO／Co两个复合铁磁性层矫顽力的大小差异，实施在外磁场下的自旋阀功能。 我们在90K到290K的温度区间得到了具有对称双峰的磁电阻特性曲线。经过分析发现，随着温度的升高，2×(NiFe／CoZnO)ZnO(3nm)／(CoZnO／Co)×2自旋注入结的磁电阻从90K时的1.38％衰减到290K时的0.49％：2×(NiFe／CoZnO)／ZnO(10nm)／(CoZnO／Co)×2自旋注入结的磁电阻从90K时的1.12％衰减到290K时的0.35％。我们发现两组样品的磁电阻与温度呈线性关系。对于磁电阻的来源，进行了详细的讨论，排除了下列效应对本征磁电阻的影响：铁磁金属层各向异性磁电阻、CoZnO层磁电阻和铁磁金属自旋注入效应引起的磁电阻。 利用Schmidt自旋注入理论推导出简单的电流极化率和磁电阻的关系式：a<,μ><'2>=MR／(MR+1)。将实验测量的磁电阻数据代入，得到样品2×(NiFe／CoZnO)／ZnO(3nm)／(CoZnO／Co)×2异质结的电流自旋极化率从90K时的11.7％衰减到290K时的7.0％；样品2×(NiFe／CoZnO)／ZnO(10nm)／(CoZnO／Co)×2异质结的电流极化率从90K时的10.5％衰减到290K时的5.9％。流经异质结的有效电流自旋极化率随结的中介层ZnO的厚度增加而减小。结果表明：实验成功实现了自旋极化电子从铁磁性半导体CoZnO向宽禁带半导体ZnO的注入，其有效的注入电流自旋极化率明显高于铁磁金属／氧化物半导体／铁磁金属异质结的情况。当然，从可应用角度看来，它的有效的注入电流自旋极化率还需要进一步提高。 在金属基极高速半导体器件和自旋阀三极管的启发下，提出一种新型的利用热电子注入的半导体自旋电子器件。其结构为铁磁性半导体/非磁性金属／铁磁性半导体(FMS／NM／FMS)。我们对这种器件进行了详细的计算和深入的探讨，发现了许多有意义的现象。 我们假设第一个铁磁性半导体／会属界面为Schottky接触，第二个界面为欧姆接触。第一层铁磁性半导体扮演了两个角色：一个是作为自旋注入源，提供自旋极化的电子；另一个是与金属接触，形成自旋相关的Sch0势垒，将起自旋过滤器的作用。由于自旋极化率是铁磁性半导体的内禀参量之一。改变和提高它是比较困难的，而通过引入自旋过滤器，就可能人为的而且是非常方便的进一步提高电流的自旋极化率，从而改善了器件的特性。 器件的电流自旋极化率受外加偏压的调制。在外加电压略高于器件的阈值电压时，其电流极化率的大小由铁磁性半导体导带劈裂引起的自旋相关的Schottky势垒高度差决定。随着此势垒高度差越大，其作为自旋过滤器的效应也越发明显，流过器件的电流自旋极化率也越大。外加电压继续增大时，自旋相关的Schottky势垒的作用变得不明显，器件工作在饱和状态。此时的电流自旋极化率也趋于饱和。在不考虑自旋翻转的条件下，对于两铁磁层平行位形，电流自旋极化率的饱和值近似等于铁磁性半导体的自旋极化率β;对于两铁磁层反平行位形，电流自旋极化率的饱和值趋近于零。与普通的半导体器件一样，平均schottky势垒的高低决定了阈值电压的大小。磁电阻随电流密度的变化规律同样受这些参数影响。随着电流密度由小变大，磁电阻从零增加。电流密度低时增加缓慢，电流密度高时增加迅速。最终，当电流密度达到某一值时，磁电阻达到饱和值。自旋相关的SchOttky势垒高度影响着低电流密度区的磁电阻大小，而其饱和值与铁磁性半导体材料的自旋极化率密切相关。因此，根据这些变化规律，我们可以很容易的通过选择或改变其中相应的参数，来调节电流极化率随偏压的关系曲线和磁电阻随电流密度的变化关系，以达到适合我们应用的目的。 换句话说，铁磁性半导体/非磁性金属间形成的自旋相关的肖特基势垒将电子以热电子的形式注入到器件当中，由于电子越过势垒的非线性特性和自旋相关的势垒高度的影响，出现了自旋过滤效应和偏压调制效应，从而得到高的电流自旋极化率和大的磁电阻。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章前言

第二章Schmidt自旋注入理论

第三章实验样品的制备与测量

第四章CoZnO非匀质铁磁性半导体的制备及输运特性

第五章铁磁性半导体CoZnO注入宽禁带半导体ZnO

第六章新型铁磁性半导体/非磁金属/铁磁性半导体结的自旋注入分析

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