CN100355017C - 一种增加闪锌矿结构锑化铬厚度的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子学器件技术领域，利用InGaAs作为缓冲层来增加半金属铁磁体闪锌矿结构锑化铬(zb-CrSb)厚度的分子束外延生长方法。包括分子束外延生长系统、源炉温度控制系统、五种元素固体源(包括Ga、As、In、Cr、Sb)、GaAs衬底、反射式高能电子衍射枪、超导量子干涉仪(SQUID)。利用分子束外延系统生长制备zb-CrSb样品。通过SQUID测量zb-CrSb的基本磁性质。从极低温下zb-CrSb的磁滞回线得到饱和磁矩，并由此来计算zb-CrSb的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及电子学器件技术领域，闪锌矿结构CrSb(zb-CrSb)半金属铁磁体的生长方法，特别涉及增加zb-CrSb厚度的生长方法。
背景技术
由于目前以电子电荷为基础的电子学即将达到其技术极限，全世界的科学家纷纷把电子学研究的目光投向自旋电子学的研究。自旋电子学的基本原理是，通过控制电子的自旋方向或者同时利用电子的电荷和自旋两个自由度来进行信息存储和处理。与传统的半导体器件相比，自旋电子学器件具有非易失性、数据处理速度更快、降低功率损耗以及集成密度高等优点。制造自旋电子学器件的关键在于实现室温下有效自旋极化电流注入半导体。如果这一关键技术得以解决，将可能引发电子学与信息产业的一场新的革命，市场前景不可估量。
室温下有效自旋极化电流注入半导体可以通过半金属铁磁体zb-CrSb来实现，因为zb-CrSb的铁磁转变温度达到400K以上，其自旋极化率达到100％，同时它还能与现有的III-V半导体很好的兼容。但是目前为止zb-CrSb的厚度只能达到～1nm，这严重限制了它的应用。理论研究表明，晶格失配是无法得到更厚的zb-CrSb的关键原因。
要制备更厚的zb-CrSb，生长过程中缓冲层的选择是关键。迄今为止，zb-CrSb都是在GaAs衬底上利用低温分子束外延技术生长的，由于GaAs与zb-CrSb之间存在大的晶格失配，导致zb-CrSb的厚度只能达到～1nm，超过这个厚度就会形成第二相。
发明内容
本发明目的是提供一种增加zb-CrSb厚度的生长方法，不需要增加其它附加技术，具有简单、方便和易实现的优点。
一种利用InGaAs作为缓冲层来增加半金属铁磁体闪锌矿结构锑化铬(zb-CrSb)厚度的分子束外延生长方法，包括分子束外延生长系统、源炉温度控制系统、元素固体源、GaAs衬底、反射式高能电子衍射枪(RHEED)、超导量子干涉仪(SQUID)，采用分子束外延技术在GaAs衬底上生长InGaAs缓冲层，利用低温分子束外延技术在InGaAs缓冲层生长闪锌矿结构锑化铬zb-CrSb样品，采用RHEED监控zb-CrSb的生长，通过SQUID测量zb-CrSb的基本磁性质，从极低温下zb-CrSb的磁滞回线得到饱和磁矩，并由此来计算zb-CrSb的厚度。
所述元素固体源包括：Ga、As、In、Cr、Sb。
利用InGaAs作为缓冲层提高具有闪锌矿结构的半金属铁磁体CrSb的厚度的生长方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：利用分子束外延技术在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
步骤2：利用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长InGaAs缓冲层；
步骤3：利用低温分子束外延技术在InGaAs缓冲层上生长zb-CrSb；
步骤4：利用超导量子干涉仪(SQUID)测量zb-CrSb在低温下(～5K)和室温以上(300K)的磁滞回线，用低温下得到的饱和磁矩计算zb-CrSb的厚度。
本发明的有益效果是：只需要利用InGaAs作为缓冲层就可以提高zb-CrSb的厚度，不需要增加其它附加技术，具有简单、方便、易实现的优点。
附图说明
下面结合附图，通过对具体实例的详尽描述对本发明的技术方案做进一步的说明，其中：
图1是利用分子束外延技术制备的zb-CrSb样品结构示意图；
图2为zb-CrSb样品在5K和300K时的磁滞回线图；
图3一个具有闪锌矿结构的CrSb样品在5K和300K时的磁滞回线在零磁场附近的放大图。
具体实施方式
我们利用分子束外延技术生长制备了zb-CrSb样品，其结构见附图1。首先在经过清洗、除气和脱氧的半绝缘GaAs衬底上生长厚度约为100nm的GaAs缓冲层来平滑衬底表面，生长温度为580℃。接着将衬底温度降至520℃，生长约400nm左右的InGaAs缓冲层。最后利用低温分子束外延技术生长一层zb-CrSb，生长温度为250℃。整个生长过程使用反射式高能电子衍射原位监控生长界面前沿，以保证生长制备的CrSb化合物为闪锌矿结构。利用SQUID测量zb-CrSb的基本磁性质。
图2给出了温度为300K和5K时zb-CrSb的磁滞回线，温度为300K时形状完好的磁滞回线说明zb-CrSb样品铁磁转变温度达到室温以上。从温度为5K时的饱和磁矩，可以计算得到zb-CrSb样品的厚度达到～3nm，远远大于用GaAs缓冲层得到的zb-CrSb样品的厚度(～1nm)。
图3的插图是磁滞回线在零磁场附近的放大图，可以看到300K时磁滞回线非常明显，进一步说明得到的zb-CrSb具有室温以上的铁磁性。
这些实验结果表明，利用这一生长方法可以提高zb-CrSb的厚度。
本发明的特色：只需要使用InGaAs缓冲层，就可以提高zb-CrSb的厚度。不需要增加其它附加技术，简单、方便、易实现。
能够实现上述发明目的的方法包括一个分子束外延生长系统、源炉温度控制系统、五种元素固体源(包括Ga、As、In、Cr、Sb)、GaAs衬底、反射式高能电子衍射枪、SQUID测量系统。
本发明一种利用InGaAs作为缓冲层提高zb-CrSb的厚度的生长方法，包括如下步骤：
步骤1：利用分子束外延技术在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
步骤2：利用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长InGaAs缓冲层；
步骤3：利用低温分子束外延技术在InGaAs缓冲层上生长具有zb-CrSb；
步骤4：利用超导量子干涉仪(SQUID)测量zb-CrSb在低温下(～5K)和室温以上(300K)的磁滞回线，用低温下得到的饱和磁矩可以估算zb-CrSb的厚度。
测量表明在InGaAs缓冲层上生长的zb-CrSb的铁磁转变温度达到300K以上；计算发现在InGaAs缓冲层上生长的zb-CrSb的厚度比在GaAs缓冲层上生长得到的zb-CrSb的厚度要大的多。
Claims (3)
1.一种增加闪锌矿结构锑化铬厚度的生长方法，其特征在于，该方法包括分子束外延生长系统、源炉温度控制系统、元素固体源、GaAs衬底、反射式高能电子衍射枪、超导量子干涉仪，采用分子束外延技术在GaAs衬底上生长InGaAs缓冲层，利用低温分子束外延技术在InGaAs缓冲层生长闪锌矿结构锑化铬zb-CrSb样品，采用RHEED监控zb-CrSb的生长，通过SQUID测量zb-CrSb的基本磁性质，从极低温下zb-CrSb的磁滞回线得到饱和磁矩，并由此来计算zb-CrSb的厚度。
2.根据权利要求1所述的增加闪锌矿结构锑化铬厚度的生长方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
步骤1：利用分子束外延技术在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
步骤2：利用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长InGaAs缓冲层；
步骤3：利用低温分子束外延技术在InGaAs缓冲层上生长zb-CrSb；
步骤4：利用超导量子干涉仪测量zb-CrSb在低温下和室温以上的磁滞回线，用低温下得到的饱和磁矩计算zb-CrSb的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的增加闪锌矿结构锑化铬厚度的生长方法，其特征在于，所述元素固体源包括：Ga、As、In、Cr、Sb。
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