半导体讲座-12-分子束外延

半导体半导体超晶格国磁性半导体、铁磁金属/半导体异质结构分子束外延中国半导Abook:EnglishthroughMargieevenwroteaboutitthatnightinherdiary.OnthepageheadedMay17,2155,shewrote:‘TodayTommyfoundarealbook!’Itwasveryoldbook.Margie’sgrandfatheroncesaidthatwhenhewasalittleboyhisgrandfathertoldhimthattherewasatimewhenallstorieswereprintedonpaper.四、研究组四、研究组半半导体超晶格国发展历史的 发展史中做出过重大贡献的两类材微电子技术（电荷 技术（自旋半导体（1872微电子技术（电荷 技术（自旋磁性金属多层膜巨磁阻效应GMR、隧磁阻并没有将微电子技术与磁技术真正地融合在一

TMR均是首次利即使集成工艺技术并非从原理上实现了完美的融合电子自 度与电 度能在固 从原理上实现完美的融合磁性半导体、铁磁金属/半导体异现代发展的需发展方向 速、超宽带、超大容如果在不久的将来半导体器件及其集成技术能够将逻辑如果在不久的将来半导体器件及其集成技术能够将逻辑运算、非发随机存 和通信等功能集成在单 上，就有可能开发可强大重写的(不同的计算采用不同)、功能速万能CPU和适合应用的新一代多功追求速追求速在单位面积 上集的晶提升提升并行运算能力、提升音频图像处理功能、追求性能与能耗平半导体自旋自度自度电度半导体自旋电子调控半导体中电子自 以自旋作为信息的上形成功能强大的 构建固态量子比逻辑上形成功能强大的 构建固态量子比

开发新一代半导体自旋电子器 未来的发展赋予无究的生命半导体超半导体超晶格国能够实现对半导体中自旋调控的候选磁性半导体（兼具半导体和磁性材料的性质）III-Vgroup:InMnAs,GaMnAs (Tc~200KOtherIII-Vgroup:GaMnN,GaCrN,GaFeAs,GaMnSb,GaCrAs,InMnSbII-VIgroup:(Cd,Mn)Te,(Zn,Mn)Se,ZnO,ZnCrTeIVgroup:GeMn,SiMnIII-VIgroup:(Ga,Mn)S,(Ga,Fe)Se,(In,Mn)S,(In,Mn)Se铁磁金属/半导体异质Fe,Co铁磁金属/半导体异质Fe,Co,Ni半金属铁磁体/半导体异质NiMnSb(Heusleralloys) RutilestructureFe3O4(Magnetite)LaSrMnO3(Perovskites)zb-CrAs,zb-CrSb,zb-实现半导体自旋电子学目的关键科学出可实用的具有本征室温铁磁性的磁性半发展有效和可靠的方法进行半导体中自旋注入、和探设计并出可实用的多功能、高性能、速、低功耗半导体半导体超晶格国四、研究组方一、分子束外延五、液相外延六、固相外延方一、分子束外延五、液相外延六、固相外延两台分子束外延设备（V80,三个生长室Fe,Mn,Ga,Al,As,BeCu,Nb(e-beam)

Mn,CrGa,In,AlAs,Sb,Fe,Mn,As,In,Be,8 目前三个生长室，共安装25个源炉，其中7个可以生长高质量III-V族磁性半导体、半金属铁磁金属薄膜及其磁性异质分子束外延生长室构造示和:Alfred分子束外延之

分子束源是生长室的部件由源炉、挡板和液氮冷屏构MB~15ba(l/s和:Alfred分子束外延之

和(AlfredY.Cho，1937年—)，华裔电机工程学家。1937年生于，，曾利大学博士，现任贝尔半导体副。1985年获选为，1996年为中国外籍。曾于1993年颁科学家最高荣誉的国家科学奖章。和侪。最近20，分子束外延研究获得长足方面得到广泛应用，令和在2007年再次获颁料广泛应用于手提、CD或DVD机等产半导体超半导体超晶格国表面的吸附、分解、迁移、结合、脱附等复杂半导体超半导体超晶格国生长GaAs时RHEED衍射强度的变化示半导半导体超晶格国四、研究组半半导体超晶格国Background:MagneticNon-magneticDilutedmagneticsemiconductorConcentratedmagneticBackground:MagneticMagneticAbridgebetweensemiconductorandCombiningbothsemiconductorandferromagnetMagneticSemiconductors–multifunctionalmaterialsShowingnewphysicalphenomenaRevealingnewmechanismsOfferingnewBackground:MagneticMagneticpropertiesmanipulatedbyH.Ohnoetal.,Nature,408,944H.Ohnoetal.,Nature,408,944H.MunekataH.Munekataetal.,PRL,78,4617Spin-FET,Spin-LED,Spin-RTD, Spin-laser,OpticalSwitches,MagneticSensors,NonvolatileMemories…Background:Magnetic (1960’sand70’sEuSe,EuO,EuS(Rock-salttype)andCdCrS,CdCrSeDifficulttopreparethosematerialsandtheir

(TcStephanvonMolnárFloridaStateUniversityBackground:Magnetic (1960’sand70’sEuSe,EuO,EuS(Rock-salttype)andCdCrS,CdCrSeDifficulttopreparethosematerialsandtheir

(Tc6.7µ6.7µBperT=1.7P浓缩磁性半导体（ConcentratedMagnetic掺入4%的GdEuO的最高居里温度达到170A.ehl,NatureMaterials,VOL6(2007)Background:Magnetic (1960’sand70’sEuSe,EuO,EuS(Rock-salttype)andCdCrS,CdCrSeDifficulttopreparethosematerialsandtheir (1980’sRecentprogress:(Cd,Mn)Te,Tc10K,ZnCrTe,Tc=300K.Recentprogress:(Cd,Mn)Te,Tc10K,ZnCrTe,Tc=300K.Andoetal.,PRL,Vol.90

(TcBackground:Magnetic (1960’sand70’sEuSe,EuO,EuS(Rock-salttype)andCdCrS,CdCrSeDifficulttopreparethosematerialsandtheir (1980’sMn,CoandFedopedII-VIs:(Cd,Mn)Te,(Zn,Co)Sand(Hg,Fe)Se(Paramagnetic,slass,andantiferromagneticbehaviour)Difficulttodopethemton-orp-type

(TcRecentprogress:CdMnTe,Tc10K, ZnCrTe,Tc=30010K, of1980’s (Tc90 Munekata,Ohno,etal.Phys.Rev.Lett.Munekata,etal.Appl.Phys.Lett. (Tc

Ohno,etal.Appl.Phys.Lett.(1996)Chen,etal.,Appl.Phys.Lett.Easytobeincorporatedwithnon-magneticIII-Background:OpenThe TheCurietemperatureislessthanroomSomeDMSwithspontaneousmagnetizationat300(Ga,Mn)N,(In,Mn)N,(Ga,Cr)N,(Al,Cr)N,(Ga,Gd)N,(Ga,Fe)N,(Ga,Mn)Sb,(Zn,Mn)O,(Zn,Ni)O,(Zn,Co)O,(Zn,V)O,(Zn,Fe,Cu)O,(Zn,Cr)Te(Ti,Co)O2,(Sn,Co)O2,(Sn,Fe)O2,(Hf,Co)O2CdGeMnP2 ZnGeMnP2 ZnSnMnAs2Mechanismofroom-temperatureferromagnetismis半半导体超晶格国Background:ThemodelmaterialofdilutedxxMn=p=31020cm-(Ga,Mn)As：themodelofabnormalHallnon-zerocoerciveforceinMCD-Hcurvesnon-zerocoerciveforceinM-HcurvesMr-Tcurvesis“clean”HideoH.Ohno,etal.,APL69,363

(Ga,Mn)As:Tc~300xMn= p=3.51020cm-T.Dietletal,Science,287,1019P.R.B63,195205半导体半导体超晶格国(Ga,Mn)As薄膜居里温度的Tc=185101(2008)TCincreasedin10K/yearsince提高(Ga,Mn)As薄膜居里温度的Co-do(Be,N,B,Co,Sb…)Post-growthannealing(100~3000C)HighMnconcentrationSizeeffect提高(Ga,Mn)As薄膜居里温度的Co-do(Be,N,B,Co,Sb…)Post-growthannealing(100~3000C)HighMnconcentrationSizeeffect半半导体超晶格国采用重Mn掺杂提高居里温度至10K/

V/III= Ts=200Ta=160Ga,As,L.Chenetal.,Appl.Phys.Lett.,Vol.95,(2009) StructuralX-rayreflectionspectraofsampleAreddotsandBblueline.Inset:high-resolutionXRDspectrumblacklineanditssimulationreddottedlineforsampleA.Phys.Phys.Rev.B81,235201Kh.Khazen,H.J.vonBardeleben,J.L.Cantin,A.Mauger,L.ChenandJ.H.GaMnAsGaMnAsX-bandFMRT=LinewidthHppBothBothmagnetizationandFMRmeasurementsshowexcellentmagnetichomogeneity.WithnogradientintheMnconcentrationsandnoMnclusteringeffects.Kh.Kh.Khazen,H.J.vonBardeleben,J.L.Cantin,A.Mauger,L.ChenJ.H.Zhao,Phys.Rev.B81,235201半导体超晶格国AbnormalHallAbnormalHalleffectandMCDversus RH-B 半半导体超晶格国MMMMMReproduciblegrowth#1465Oct.#2019Oct.#2472Nov.annealedat150Cfor4minsannealedat150Cfor10minsannealedat150Cfor4minsannealedat150Cfor10minsannealedat150Cfor16hoursB=0T=191C00 T0 T00TC=191TC=190TTC=190WaystoincreasetheCurietemperatureof(Ga,Mn)AsCo-do(Be,N,B,Co,SbPost-growthannealing(100~300SizeHighMnInsiderocessrocessandSEMimaAlltheHallbarswerepatternedsuchthatthelengthsareorientedthe[110]directions半导体半导体超晶格国ArrotM~TCupto200Kwas

intercept195K=1.32×10-intercept200K=5.35×10-intercept205K=-4.08×10- 等，NanoLett.11,2584研究成果：将典型磁性半导体(Ga,Mn)As居里温度高含量薄膜加工成纳米条，经过低温退火处理，国际最高将(Ga,Mn)As向实际应用推进了一大L.L.Chenetal.,NanoLett.11,2584铁磁金属/半导体异质Y.Ohnoetal.,Nature,402,790(1999O.M.Y.Ohnoetal.,Nature,402,790(1999X.H.Louetal.,naturephysics,3(2007) 铁磁金属/半导体异质结构的分子束外延Fe/GaAs,APL

MnAs/GaAs,APLZb-CrAs/GaAs,研究成果：利用MBE在GaAs上外延生长出垂直磁各向异c=3.690c=3.690不含稀土和贵金属这种L10-Mn1.5Ga单晶薄膜在室温环境中同时具有垂直矫顽力、超强垂直磁各向异性和大磁能积，在密度垂直磁记录、高性能永磁体和高L.L.J.Zhuetal.,Adv.Mater.,24,4547研究成果：Co2FeAl/(Ga,Mn)As中的磁近邻效一种提高GaMnAs居里温度的新在Co2FeAl/(Ga,Mn)As界面处(Ga,Mn)As一侧中1.36nm厚度中的Mn离子

XMCD S.H.Nieetal.,PRL，111,027203 半导半导体超晶格国其它材料：自组织磁性半导体量(In,Cr)AsQDswithroom-temperatureH.J.Mengetal.,Phys.Lett.A373 (Ga,