川大 AFM 報道：一箭雙雕！Mn摻雜SiGe薄膜同時實現高居里溫度鐵磁性和高空穴遷移率

【背景介紹】

稀磁半導體（Diluted Magnetic Semiconductors, DMSs）是指半導體中的部分原子被過渡金屬元素取代后形成的磁性半導體，因其兼具半導體和磁體的性質，有望在同一種材料中同時應用電子電荷和電子自旋兩種自由度實現信息存儲和量子計算等功能，引起了物理、材料和電子信息等領域研究者們的廣泛關注。2005年，國際頂級期刊Science提出了125個全世界最前沿的科學問題，是否可以制備出室溫下的磁性半導體即為其中之一。事實上，理想的磁性半導體應同時具有高居里溫度鐵磁性和高載流子遷移率等特性，這對于實際半導體自旋電子器件中自旋電流的產生和傳輸至關重要。雖然對于不同材料體系的DMSs已有大量研究，但由于合成過程中引入的缺陷等因素，目前的DMSs或居里溫度不高、或載流子遷移率較低。同時，由于反常霍爾效應帶來的測試困難，有關DMSs中載流子遷移率的研究也不多見。迄今為止，能夠同時兼具高居里溫度的鐵磁性和高載流子遷移率的DMSs仍未見報道。另一方面，第IV族半導體材料，包括硅（Si）、鍺（Ge）和硅鍺合金（SiGe）等，是傳統半導體產業的主流材料之一。其中，SiGe合金因其兩種元素Si和Ge可無限互溶，有利于調控元素比例以調控應力、能帶結構和載流子遷移率，已應用于各類商業化高速電子器件。理論研究預言，拉伸應變可使得SiGe的重/輕空穴在價帶頂部分離，增加其空穴遷移率；與此同時，拉伸應變增大晶格常數也有助于摻雜錳（Mn）的第IV半導體中的鐵磁序。基于以上事實，若能設計制備基于第IV族半導體SiGe的鐵磁性半導體薄膜材料，使其兼具高居里溫度和高載流子遷移率，因其母體材料與現代硅半導體材料工藝技術可無縫銜接，有望構造出一個高性能半導體自旋電子材料的基礎研究和應用開發的重要平臺。

【成果簡介】

近日，四川大學的向鋼教授（通訊作者）團隊、汪淵教授團隊以及蘭州大學彭勇教授團隊合作，報道了基于第IV族半導體硅鍺合金的磁性半導體的研究工作。論文第一作者是川大研究生王煥明，通訊作者是川大向鋼教授。研究者們采用射頻磁控濺射法在Ge基底上制備非晶態的Mn摻雜SiGe薄膜，并通過非平衡態快速熱退火（RTA）使其結晶。在RTA之后，樣品成為鐵磁性半導體，其居里溫度隨著Mn摻雜濃度的增加而升高，并在5％ Mn濃度下達到280 K。實驗數據和理論分析表明，鐵磁性來自空穴介導過程，并通過SiGe晶體中的拉伸應變而得到增強。另一方面，為消除或減弱反常霍爾效應影響而進行的33 T強磁場下的霍爾效應測試表明，由于拉伸應變誘導的能帶結構調制，退火樣品的空穴遷移率得到了極大提高，其最大值達到1000 cm² V^-1 s^-1。簡言之，Mn摻雜的SiGe薄膜顯示出高居里溫度鐵磁性和高空穴遷移率，有望為半導體自旋電子學提供一個富有前景的研究平臺。研究工作受到國家重點研發計劃——戰略性電子材料（No. 2017YFB0405702）和國家自然科學基金（No. 51671137）的經費支持，并得到中科院半導體所趙建華教授、王海龍副教授和中科院合肥強磁場中心田明亮教授等的支持和幫助。研究成果以題為“High Curie Temperature Ferromagnetism and High Hole Mobility in Tensile Strained Mn-Doped SiGe Thin Films”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、HRTEM和XRD表征
（a）樣品M2的橫截面透射電子顯微照片；

（b）樣品M2的HRTEM圖像；

（c）退火樣品AM1、AM2、AM3和未退火樣品M2的GIXRD模式；

（d-f）AM1、AM2和AM3的HRTEM圖像；

（g）Mn濃度對晶格常數的影響。

圖二、ACTEM和XPS表征
（a）AM2的橫截面ACTEM圖像；

（b）AM3和M3的XPS光譜結果。

圖三、鐵磁性能
（a）AM1、AM2、AM3和M3磁化的溫度依賴性；

（b）在不同溫度下AM2的M-H曲線；

（c）AM1、AM2和AM3的居里溫度（T_C）和飽和磁矩（M_S）；

（d）在Si_0.25Ge_0.75晶格的不同位置摻雜Mn原子的形成能。

圖四、強磁場下的輸運性能
（a）對于AM2，在零磁場下電阻率的溫度依賴性；

（b）在不同溫度下，AM2的霍爾電阻和MR的磁場強度依賴性；

（c）AM1、AM2和AM3空穴遷移率的溫度依賴性；

（d）空穴密度與200 K下Mn摻雜濃度的關系。

【小結】

綜上所述，研究者們采用射頻磁控濺射法和非平衡態RTA工藝制備了Si_0.25Ge_0.75:Mn_x樣品。退火后的樣品鐵磁性居里溫度高達280 K，其鐵磁性源自Si_0.25Ge_0.75晶格中的Mn摻雜替代，并因拉伸應變而得到增強。33 T強磁場下的霍爾效應測試表明，拉伸應變誘導的能帶結構調制使得退火樣品的空穴遷移率得到極大提高，其最大值達到1000 cm² V^-1 s^-1，比其他DMSs高出了2個數量級。總之，Si_0.25Ge_0.75:Mn_x樣品顯示出高居里溫度鐵磁性和高空穴遷移率，有望為半導體自旋電子學研究提供一個重要的材料平臺。

文獻鏈接：High Curie Temperature Ferromagnetism and High Hole Mobility in Tensile Strained Mn-Doped SiGe Thin Films（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202002513）

通訊作者簡介

向鋼，四川大學教授、博士生導師。1998本科畢業于蘭州大學物理系，2001年碩士畢業于蘭州大學材料系（導師王天民教授），2006年博士畢業于美國賓夕法尼亞州立大學物理系（導師Prof. Nitin Samarth），曾于哈佛大學、賓夕法尼亞州立大學、俄亥俄州立大學從事科學研究和學術交流活動。長期從事半導體材料與器件物理和磁學研究，特別是半導體電子與自旋電子學的相關研究。已在Nature、PRL、Adv. Funct. Mater.、Adv. Electron. Mater.、PRB、APL等期刊發表論文70余篇，獲得國家發明專利授權5項。曾入選教育部新世紀優秀人才支持計劃，獲得四川省青年科技獎、唐立新教學名師獎等榮譽。

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.