稀磁半导体(Ga,Mn)Aa及硅基器件的磁输运特性研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lynnshe
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半导体自旋电子学主要研究自旋极化的产生、输运、控制和探测,近年来受到了学术界和产业界的极大关注。稀磁半导体(Ga,Mn)As兼备常规半导体特性和铁磁性,有望用来实现下一代半导体自旋电子器件,因此,我们在脉冲强磁场条件下对(Ga,Mn)As薄膜的电输运特性进行了研究,试图进一步揭示其内在电磁机理。此外,硅是一种最基本和最重要的半导体材料,它有可能推动传统金属基磁电子学向半导体基磁电子学的升级,因此,我们也研究了硅基器件的磁阻特性。  本论文一共分为五章:  第一章主要介绍了半导体自旋电子学的发展概况、稀磁半导体(Ga,Mn)As的相关性质及硅基磁电阻的研究进展。  第二章主要介绍了材料生长、脉冲强磁场下的电输运测量及材料物性测量技术。  第三章主要介绍了利用脉冲强磁场技术研究(Ga,Mn)As薄膜的电输运性质。在脉冲强磁场条件下,(Ga,Mn)As薄膜在低温和高温处均可实现磁化强度饱和,利用布里渊函数拟合霍尔电阻可实现正常霍尔项及反常霍尔项的分离,从而得到有关(Ga,Mn)As磁化强度、空穴浓度及反常霍尔效应指数因子等信息。其中,对于不同的样品而言,反常霍尔效应指数因子在整个温度范围内均保持一致,拟合值分别为0.3、0.215和0.165。低温处,这些值与Onoda等人理论上依据纵向电导率所预言的指数因子0.4基本一致;高温处,它们与XiongjunLiu等人基于“渗透杂质团簇”理论所预言的基本一致。但如何解释反常霍尔效应指数因子在整个温度范围内的一致性及其与居里温度的关系仍需进一步研究。另外,与确定(Ga,Mn)As空穴浓度的其他方法进行比较,我们发现,利用布里渊函数拟合霍尔电阻可得到比较准确的空穴浓度信息,从而提供了另一种确定空穴浓度的方法。  第四章主要介绍了基于空间电荷效应的硅基磁电阻研究。采用半导体光刻及金属蒸发技术在未掺杂的n型硅衬底上制备了Au-Ti/n-Si/Au-Ti器件,并在不同温度及外加磁场的条件下研究了该器件的I-V特性。在154K-300K的温度范围内,器件只表现出欧姆特性;但在77K-154K的温度范围内,器件主要表现出空间电荷效应特性。Au-Ti/n-Si/Au-Ti器件在空间电荷效应的作用下,TFL区的器件电阻-温度依赖曲线呈现出金属-绝缘体相变的特性,且外加磁场可引起器件中极大的正磁阻现象,这些实验现象不仅与之前空间电荷效应理论所预测的相吻合,也与其他实验组的观测相一致。  第五章是结论。
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