[发明专利]一种获得厚度大于10nm的室温铁磁性(Ga，Mn)As薄膜的方法

说明书

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。