CN100412536C - 无磁场测量稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过测量输运性质确定稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将镓锰砷样品刻蚀成霍尔元件形状，采用铟压焊技术制作电极，该电极与恒流源和电压表连接；步骤2：将步骤1所述的霍尔元件放入闭循环制冷系统中；步骤3：测量霍尔元件切向电阻与温度的关系曲线，确定镓锰砷导电特征从绝缘性转变到金属性的相变温度，从而确定镓锰砷薄膜的铁磁转变温度。

Description

无磁场测量稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法
技术领域
本发明涉及稀磁半导体铁磁转变温度的测量方法，特别涉及无磁场测量稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法。
背景技术
现代信息技术利用半导体中电子电荷自由度加工信息，利用磁性材料中电子自旋自由度存储信息，二者是分开进行的。半导体自旋电子学则试图操作半导体中电子自旋自由度或者同时操作半导体中电子自旋和电子电荷两个自由度来实现信息处理和存储，从而提升现有器件的功能和开拓新一代的自旋量子器件。如果这一目标能够实现，将对未来的信息技术产生革命性的影响，带来巨大的经济效益。
半导体中电子自旋自由度的操作可以通过稀磁半导体材料来实现，而铁磁转变温度是衡量稀磁半导体能否投入实际应用的一个重要性能参数。稀磁半导体的实际应用要求其铁磁转变温度必须达到室温(300K)以上。稀磁半导体镓锰砷(Ga，Mn)As同时具有半导体材料和铁磁材料的性能，并且很容易与III-V族非磁性半导体GaAs和AlGaAs等形成异质结构，近年来引起了人们极大的研究热情。但是到目前为止(Ga，Mn)As的铁磁转变温度不超过110K，严重地限制了其应用。最近人们发现生长后热处理可以提高(Ga，Mn)As的铁磁转变温度，迄今(Ga，Mn)As的铁磁转变温度已经被提高到170K。
在寻找提高(Ga，Mn)As铁磁转变温度途径的研究工作中，其铁磁转变温度的测量确定是非常重要的环节。稀磁半导体的铁磁转变温度通常是利用超导量子干涉仪(SQUID)测量稀磁半导体的残余磁矩与温度的依赖关系确定，或者利用稀磁半导体的磁输运性质即反常霍尔效应测量得到的Arrott图推导出来的。前者虽然比较直观但却是一种昂贵费时的测量手段；后者要求较高的磁场(＞0.5T)才能使磁矩达到饱和，该磁场值远高于常规的霍尔测量，并且它的推导过程也较繁琐。
发明内容
本发明目的是提供一种无磁场测量稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法，不需要外加磁场，具有简单、方便，易操作的优点。
本发明一种通过测量输运性质确定稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将镓锰砷样品刻蚀成霍尔元件形状，采用铟压焊技术制作电极，该电极与恒流源和电压表连接；
步骤2：将步骤1所述的霍尔元件放入闭循环制冷系统中；
步骤3：测量霍尔元件切向电阻与温度的关系曲线，确定镓锰砷从绝缘性转变到金属性的相变温度，即当温度高于相变温度时，切向电阻随温度的降低增大，当温度低于相变温度时，切向电阻随温度的降低减小，从而确定镓锰砷薄膜的铁磁转变温度。
其中所述闭循环制冷系统的温度范围是10K-300K。
本发明的有益效果是：只需要测量(Ga，Mn)As切向电阻与温度的关系，就可确定(Ga，Mn)As的铁磁转变温度，不需要外加磁场，简单、方便，易操作。
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(Ga，Mn)As样品结构示意图；
图2a是刻蚀成霍尔元件形状的(Ga，Mn)As样品；
图2b是测试(Ga，Mn)As样品铁磁转变温度的电路图；
图3为(Ga，Mn)As薄膜样品切向电阻Rsheet与温度T的关系曲线；
图4为低温退火处理对(Ga，Mn)As薄膜样品切向电阻Rsheet与温度T的关系曲线的影响；插图是超导量子干涉仪测定的经过不同温度退火处理的(Ga，Mn)As薄膜样品的铁磁转变温度。
具体实施方式
能够实现上述发明目的的方法包括闭循环制冷机、恒流源、电压表以及刻蚀成霍尔元件形状的(Ga，Mn)As样品。
本发明一种通过测量输运性质确定稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法，包括如下步骤：
步骤1：将镓锰砷样品刻蚀成霍尔元件形状，采用铟压焊技术制作电极，该电极与恒流源和电压表连接；
步骤2：将步骤1所述的霍尔元件放入闭循环制冷系统中，所述闭循环制冷系统的温度范围是10K-300K；
步骤3：测量霍尔元件切向电阻与温度的关系曲线，确定镓锰砷导电特征从绝缘性转变到金属性的相变温度，从而确定镓锰砷薄膜的铁磁转变温度。
在零磁场条件下，随着温度的降低，(Ga，Mn)As的导电特征在其铁磁转变温度(Tc)处将发生绝缘性到金属性的转变，即当温度高于Tc时，切向电阻Rsheet随温度的降低增大，当温度低于Tc时，切向电阻Rsheet随温度的降低减小。我们发现致使(Ga，Mn)As导电特征从绝缘性转变成金属性的温度即为(Ga，Mn)As的铁磁转变温度。
我们利用分子束外延技术生长制备了(Ga，Mn)As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的缓冲层来平滑衬底表面，然后利用低温分子束外延技术生长厚度为500nm、Mn含量为7％的一层(Ga，Mn)As薄膜。将部分(Ga，Mn)As薄膜样品刻蚀成尺寸如图2a所示的霍尔元件形状，采用In压焊技术将霍尔元件的第一端1和第二端2与恒流源10相连，霍尔元件的第三端3和第四端4与电压表20连接(见图2b)，然后将其固定在闭循环制冷机(未图示)的样品架上抽真空制冷，开始测量该样品的切向电阻与温度的关系。
随着温度的降低，(Ga，Mn)As的切向电阻Rsheet开始增大，如图3所示，切向电阻Rsheet从温度为290K时的0.6KΩ增大为55K时的1.2KΩ，然后随着温度的降低，Rsheet开始减小，当温度降到22K时，切向电阻Rsheet减小至0.92KΩ。从SQUID测量得到的残余磁矩与温度的依赖关系表明温度55K刚好是该(Ga，Mn)As样品的铁磁转变温度值，见图4中所示的A点。这说明在零磁场条件下，随着温度的降低，(Ga，Mn)As在其铁磁转变温度处将发生绝缘性到金属性的转变，而致使(Ga，Mn)As导电特征从绝缘性转变成金属性的温度即为(Ga，Mn)As的铁磁转变温度。
为了更进一步的证明这一技术的可靠性，我们对该(Ga，Mn)As样品进行了一系列的低温退火处理，即改变其铁磁转变温度。我们仍使用这个方法测量了该样品经过了不同温度退火处理(200℃、250℃、260℃、270℃和280℃各1小时)后的切向电阻Rsheet与温度的关系，结果发现，随着退火温度的提高，发生绝缘性-金属性相变的温度值也在提高，如图4所示。我们发现每一个致使其导电性发生绝缘性-金属性相变的温度值都与用SQUID测得的铁磁转变温度相吻合，见图4中所示的B、C、D、E和F点。这些实验结果进一步证明了利用这一技术确定(Ga，Mn)As薄膜的铁磁转变温度的可靠性。

Claims (2)

1. 一种通过测量输运性质确定稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将镓锰砷样品刻蚀成霍尔元件形状，采用铟压焊技术制作电极，该电极与恒流源和电压表连接；
步骤2：将步骤1所述的霍尔元件放入闭循环制冷系统中；
步骤3：测量霍尔元件切向电阻与温度的关系曲线，确定镓锰砷导电特征从绝缘性转变到金属性的相变温度，该相变温度即镓锰砷的铁磁转变温度，从而确定镓锰砷薄膜的铁磁转变温度。
2. 根据权利要求1所述的通过测量输运性质确定稀磁半导体镓锰砷铁磁转变温度的方法，其特征在于，其中所述闭循环制冷系统的温度范围是10K-300K。
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