CN104332304A - 一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga,Mn)As薄膜的方法 - Google Patents

一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga,Mn)As薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga,Mn)As薄膜的方法，包括：在脱氧后的半绝缘GaAs衬底上高温生长用于平滑衬底表面的GaAs缓冲层；降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层；降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga,Mn)As薄膜；在(Ga,Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属；在铁磁金属上生长一层Al薄膜用于防止铁磁金属氧化。利用本发明，仅通过分子束外延方法生长(In，Ga)As缓冲层在(Ga,Mn)As薄膜中引入面内张应变，使其易磁化轴垂直于表面，继而分离了铁磁金属和(Ga,Mn)As薄膜的宏观磁信号并获得了厚度大于10 nm的室温铁磁性(Ga,Mn)As薄膜。

Description

一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga,Mn)As薄膜的方法
技术领域
本发明属于自旋电子学技术领域，涉及到利用低温分子束外延方法生长铁磁金属/(Ga，Mn)As双层磁性薄膜及利用超导量子干涉仪进行相关磁性测量的技术，尤其涉及利用特殊结构设计从而分离铁磁金属和(Ga，Mn)As宏观磁信号并获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法。
背景技术
随着基于电子电荷自由度的传统微电子学中摩尔定律的逐渐失效，基于电子自旋自由度的自旋电子学开始蓬勃发展。金属自旋电子学中的一系列自旋相关效应如巨磁阻效应已经在磁性存储中得到了广泛运用，产生了巨大的经济效益。然而，为了利用自旋实现逻辑运算，需要能在半导体中产生自旋极化。最有效的方法是在半导体中掺入过渡族金属使其具备铁磁性，获得所谓的磁性半导体如被广泛研究的(Ga，Mn)As薄膜等。然而，(Ga，Mn)As薄膜等磁性半导体低于室温的居里温度极大地限制了它的实际应用。
迄今为止，唯一能将(Ga，Mn)As的居里温度提高到室温的方法是在(Ga，Mn)As薄膜上面外延一层高质量的强磁性金属，利用强磁性金属与(Ga，Mn)As薄膜中Mn离子的界面相互作用使其居里温度大幅提高。然而，关于这方面的报道都发现仅有在双层膜界面处约2nm厚的(Ga，Mn)As薄膜能在室温300K下保持铁磁性，仍难以投入实际应用。
若能通过一种方法提高磁近邻效应作用下室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的厚度，将极大推动(Ga，Mn)As薄膜等磁性半导体的实际应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，以获得高质量的厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，包括：
在脱氧后的半绝缘GaAs衬底上高温生长用于平滑衬底表面的GaAs缓冲层；
降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层；
降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜；
在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属；以及
在铁磁金属上生长一层Al薄膜用于防止铁磁金属氧化。
上述方案中，所述在半绝缘GaAs衬底上高温生长GaAs缓冲层，是采用分子束外延技术在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，用于平滑样品表面，生长温度为580℃。
上述方案中，所述降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层，是采用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层，使得样品表面晶格常数变大，生长温度为470℃-510℃。
上述方案中，所述降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜，是采用低温分子束外延技术在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜，使得(Ga，Mn)As薄膜具有垂直于样品表面的单轴磁各向异性，生长温度为200℃-240℃。
上述方案中，所述在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属，是采用分子束外延技术在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层具有单轴磁各向异性的铁磁金属，所述铁磁金属为Fe薄膜，或者为半金属Co2FeAl或Co2MnAl。
上述方案中，所述在铁磁金属上生长一层Al薄膜，是采用分子束外延技术在铁磁金属上生长一层Al薄膜，用于保护样品防止其氧化。
上述方案中，该方法在在铁磁金属上生长一层Al薄膜之后，还包括：利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质。
上述方案中，所述利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质，包括：利用超导量子干涉仪测量样品在不同温度下的磁滞回线；用稀盐酸选择性腐蚀样品中(Ga，Mn)As薄膜上覆盖的铁磁金属，并利用超导量子干涉仪测量样品的磁滞回线；通过对比Fe/(Ga，Mn)As和单层(Ga，Mn)As薄膜在不同温度下的磁滞回线，判断Fe/(Ga，Mn)As双层磁性薄膜中的(Ga，Mn)As薄膜是否具有室温铁磁性。
上述方案中，所述利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质，还包括：利用超导量子干涉仪测量样品磁矩沿不同晶向的分量随温度的变化关系，若在(Ga，Mn)As薄膜易磁化轴方向，即垂直样品表面的方向，没有明显拐点且样品磁矩不为零，则能够进一步证明(Ga，Mn)As薄膜的室温铁磁性。
(三)有益效果
本发明提供的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，仅通过分子束外延方法生长(In，Ga)As缓冲层在(Ga，Mn)As薄膜中引入面内张应变，使其易磁化轴垂直于表面，继而分离了铁磁金属和(Ga，Mn)As薄膜的宏观磁信号并获得了厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜。
附图说明
图1是本发明提供的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法流程图；
图2是依照本发明实施例的利用分子束外延技术制备的Fe/(Ga，Mn)As样品结构示意图；
图3是依照本发明实施例的磁场垂直于样品表面时Fe/(Ga，Mn)As薄膜及单层(Ga，Mn)As磁性薄膜在5K和300K下的磁滞回线；
图4是依照本发明实施例的沿三个不同方向测得的Fe/(Ga，Mn)As薄膜残余磁矩随温度的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，利用磁性半导体(Ga，Mn)As薄膜的磁各向异性受应变调控的原理，通过生长(In，Ga)As缓冲层在(Ga，Mn)As薄膜中引入面内张应变使其易磁化轴垂直于样品表面，并在其表面外延一层面内易磁化的铁磁金属薄膜用于提高(Ga，Mn)As薄膜的居里温度。该方法分离了铁磁金属和(Ga，Mn)As薄膜的宏观磁信号，并获得了厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜。
如图1所示，图1是本发明提供的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在脱氧后的半绝缘GaAs衬底上高温生长用于平滑衬底表面的GaAs缓冲层；
步骤2：降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层；
步骤3：降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜；
步骤4：在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属；
步骤5：在铁磁金属上生长一层Al薄膜用于防止铁磁金属氧化。
其中，步骤1中所述在半绝缘GaAs衬底上高温生长GaAs缓冲层，是采用分子束外延技术在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，用于平滑样品表面，生长温度为580℃。
步骤2中所述降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层，是采用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层，使得样品表面晶格常数变大，生长温度为470℃-510℃。
步骤3中所述降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜，是采用低温分子束外延技术在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜，使得(Ga，Mn)As薄膜具有垂直于样品表面的单轴磁各向异性，生长温度为200℃-240℃。
步骤4中所述在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属，是采用分子束外延技术在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层具有单轴磁各向异性的铁磁金属，所述铁磁金属为Fe薄膜，或者为半金属Co2FeAl或Co2MnAl。
步骤5中所述在铁磁金属上生长一层Al薄膜，是采用分子束外延技术在铁磁金属上生长一层Al薄膜，用于保护样品防止其氧化。
进一步地，该方法在在铁磁金属上生长一层Al薄膜之后，还包括：利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质，具体包括：
利用超导量子干涉仪测量样品在不同温度下的磁滞回线；
用稀盐酸选择性腐蚀样品中(Ga，Mn)As薄膜上覆盖的铁磁金属，并利用超导量子干涉仪测量样品的磁滞回线；通过对比Fe/(Ga，Mn)As和单层(Ga，Mn)As薄膜在不同温度下的磁滞回线，判断Fe/(Ga，Mn)As双层磁性薄膜中的(Ga，Mn)As薄膜是否具有室温铁磁性。
利用超导量子干涉仪测量样品磁矩沿不同晶向的分量随温度的变化关系，若在(Ga，Mn)As薄膜易磁化轴方向，即垂直样品表面的方向，没有明显拐点且样品磁矩不为零，则能够进一步证明(Ga，Mn)As薄膜的室温铁磁性。
以下以低温分子束外延技术生长的Fe(2nm)/(Ga，Mn)As(10nm)样品为例，结合附图对本发明进一步的详细说明。
样品结构见图2，本发明实施例首先在经过除气和脱氧后的半绝缘GaAs上生长约100nm厚的GaAs缓冲层，生长温度为580℃。之后，将衬底温度降至470℃至510℃生长(In，Ga)As缓冲层。接着将衬底温度继续降低至200℃至240℃生长(Ga，Mn)As薄膜，最后生长约2nm的Al薄膜用于保护样品防止Fe薄膜的氧化。样品的磁性质利用超导量子干涉仪进行测量。
图3给出了Fe(2nm)/(Ga，Mn)As(10nm)样品以及用稀盐酸腐蚀Fe薄膜后的(Ga，Mn)As(10nm)单层磁性膜的磁滞回线。其中，磁场方向垂直于样品表面。由于Fe薄膜的磁矩几乎随垂直样品表面的磁场线性变化，而面内张应变的(Ga，Mn)As薄膜则显示出矩形的磁滞回线，因此图中5K和300K下Fe/(Ga，Mn)As双层磁性薄膜磁矩随外磁场的变化曲线可以认为是二者的简单叠加。而300K下低场下矩形磁滞回线仍然存在，表明(Ga，Mn)As薄膜仍然是具备铁磁性。图3外磁场垂直于样品表面时Fe/(Ga，Mn)As薄膜在5K(倒三角)和300K下(三角)及单层(Ga，Mn)As薄膜在5K下(圆点)的磁滞回线。其中，单层(Ga，Mn)As薄膜是通过稀盐酸选择性腐蚀Fe获得的。图3中的插图是高场下样品的磁滞回线。
为了进一步证明10nm厚的(Ga，Mn)As薄膜的室温铁磁性质，本发明进一步测量了样品磁矩在不同晶向上的分量随温度的变化关系，如图4所示。可以看到沿样品垂直方向即[001]方向测量时，曲线光滑无明显的拐点，这也表明(Ga，Mn)As薄膜的居里温度大于300K。图4沿三个不同方向测得的Fe/(Ga，Mn)As薄膜残余磁矩随温度的变化曲线。为了便于比较，其中沿[110]和[-110]方向的测量结果沿纵轴方向做了平移，平移量大小见图中箭头所指向的数字。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明中样品结构及磁性测试过程有了清楚的认识。
此外，样品结构中的铁磁金属并不仅限于实施例中提到的Fe薄膜，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)衬底可以是n型或p型掺杂的GaAs(001)衬底。
(2)铁磁金属薄膜可以是同样能在(Ga，Mn)As薄膜上外延生长且由单轴磁各向异性占主导的其他磁性金属，如半金属Co2FeAl、Co2MnAl等。
(3)(Ga，Mn)As薄膜的磁化方向也可以在面内，只要其磁性由单轴磁各向异性占主导且与其上沉积的铁磁金属，如重Mn掺杂的(Ga，Mn)As薄膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，包括：
在脱氧后的半绝缘GaAs衬底上高温生长用于平滑衬底表面的GaAs缓冲层；
降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层；
降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜；
在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属；以及
在铁磁金属上生长一层Al薄膜用于防止铁磁金属氧化。
2.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述在半绝缘GaAs衬底上高温生长GaAs缓冲层，是采用分子束外延技术在半绝缘GaAs衬底上生长GaAs缓冲层，用于平滑样品表面，生长温度为580℃。
3.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述降低生长温度，在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层，是采用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长(In，Ga)As缓冲层，使得样品表面晶格常数变大，生长温度为470℃-510℃。
4.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述降低生长温度，在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜，是采用低温分子束外延技术在(In，Ga)As缓冲层上生长(Ga，Mn)As薄膜，使得(Ga，Mn)As薄膜具有垂直于样品表面的单轴磁各向异性，生长温度为200℃-240℃。
5.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层面内易磁化的铁磁金属，是采用分子束外延技术在(Ga，Mn)As薄膜表面沉积一层具有单轴磁各向异性的铁磁金属。
6.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述铁磁金属为Fe薄膜，或者为半金属Co2FeAl或Co2MnAl。
7.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述在铁磁金属上生长一层Al薄膜，是采用分子束外延技术在铁磁金属上生长一层Al薄膜，用于保护样品防止其氧化。
8.根据权利要求1所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，该方法在在铁磁金属上生长一层Al薄膜之后，还包括：利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质。
9.根据权利要求8所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质，包括：
利用超导量子干涉仪测量样品在不同温度下的磁滞回线；
用稀盐酸选择性腐蚀样品中(Ga，Mn)As薄膜上覆盖的铁磁金属，并利用超导量子干涉仪测量样品的磁滞回线；通过对比Fe/(Ga，Mn)As和单层(Ga，Mn)As薄膜在不同温度下的磁滞回线，判断Fe/(Ga，Mn)As双层铁磁薄膜中的(Ga，Mn)As是否具有室温铁磁性。
10.根据权利要求9所述的获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法，其特征在于，所述利用超导量子干涉仪表征样品的磁性质，还包括：
利用超导量子干涉仪测量样品磁矩沿不同晶向的分量随温度的变化关系，若在(Ga，Mn)As薄膜易磁化轴方向，即垂直样品表面的方向，没有明显拐点且样品磁矩不为零，则能够进一步证明(Ga，Mn)As薄膜的室温铁磁性。
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