專利名稱：無磁場測量稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及稀磁半導(dǎo)體鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的測量方法，特別涉及無磁場測量稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代信息技術(shù)利用半導(dǎo)體中電子電荷自由度加工信息，利用磁性材料中電子自旋自由度存儲信息，二者是分開進(jìn)行的。半導(dǎo)體自旋電子學(xué)則試圖操作半導(dǎo)體中電子自旋自由度或者同時(shí)操作半導(dǎo)體中電子自旋和電子電荷兩個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)信息處理和存儲，從而提升現(xiàn)有器件的功能和開拓新一代的自旋量子器件。如果這一目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，將對未來的信息技術(shù)產(chǎn)生革命性的影響，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
半導(dǎo)體中電子自旋自由度的操作可以通過稀磁半導(dǎo)體材料來實(shí)現(xiàn)，而鐵磁轉(zhuǎn)變溫度是衡量稀磁半導(dǎo)體能否投入實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要性能參數(shù)。稀磁半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用要求其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度必須達(dá)到室溫(300K)以上。稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷(Ga，Mn)As同時(shí)具有半導(dǎo)體材料和鐵磁材料的性能，并且很容易與III-V族非磁性半導(dǎo)體GaAs和AlGaAs等形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，近年來引起了人們極大的研究熱情。但是到目前為止(Ga，Mn)As的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度不超過110K，嚴(yán)重地限制了其應(yīng)用。最近人們發(fā)現(xiàn)生長后熱處理可以提高(Ga，Mn)As的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度，迄今(Ga，Mn)As的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)被提高到170K。
在尋找提高(Ga，Mn)As鐵磁轉(zhuǎn)變溫度途徑的研究工作中，其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的測量確定是非常重要的環(huán)節(jié)。稀磁半導(dǎo)體的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度通常是利用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)測量稀磁半導(dǎo)體的殘余磁矩與溫度的依賴關(guān)系確定，或者利用稀磁半導(dǎo)體的磁輸運(yùn)性質(zhì)即反?；魻栃?yīng)測量得到的Arrott圖推導(dǎo)出來的。前者雖然比較直觀但卻是一種昂貴費(fèi)時(shí)的測量手段；后者要求較高的磁場(＞0.5T)才能使磁矩達(dá)到飽和，該磁場值遠(yuǎn)高于常規(guī)的霍爾測量，并且它的推導(dǎo)過程也較繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種無磁場測量稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法，不需要外加磁場，具有簡單、方便，易操作的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明一種通過測量輸運(yùn)性質(zhì)確定稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1將鎵錳砷樣品刻蝕成霍爾元件形狀，采用銦壓焊技術(shù)制作電極，該電極與恒流源和電壓表連接；步驟2將步驟1所述的霍爾元件放入閉循環(huán)制冷系統(tǒng)中；步驟3測量霍爾元件切向電阻與溫度的關(guān)系曲線，確定鎵錳砷導(dǎo)電特征從絕緣性轉(zhuǎn)變到金屬性的相變溫度，從而確定鎵錳砷薄膜的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
其中所述閉循環(huán)制冷系統(tǒng)的溫度范圍是10K-300K。
本發(fā)明的有益效果是只需要測量(Ga，Mn)As切向電阻與溫度的關(guān)系，就可確定(Ga，Mn)As的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度，不需要外加磁場，簡單、方便，易操作。


下面結(jié)合附圖，通過對具體實(shí)例的詳盡描述對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，其中圖1是利用分子束外延技術(shù)制備的(Ga，Mn)As樣品結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是刻蝕成霍爾元件形狀的(Ga，Mn)As樣品；圖2b是測試(Ga，Mn)As樣品鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的電路圖；圖3為(Ga，Mn)As薄膜樣品切向電阻Rsheet與溫度T的關(guān)系曲線；圖4為低溫退火處理對(Ga，Mn)As薄膜樣品切向電阻Rsheet與溫度T的關(guān)系曲線的影響；插圖是超導(dǎo)量子干涉儀測定的經(jīng)過不同溫度退火處理的(Ga，Mn)As薄膜樣品的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
具體實(shí)施例方式
能夠?qū)崿F(xiàn)上述發(fā)明目的的方法包括位閉循環(huán)制冷機(jī)、恒流源、電壓表以及刻蝕成霍爾元件形狀的(Ga，Mn)As樣品。
本發(fā)明一種通過測量輸運(yùn)性質(zhì)確定稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法，包括如下步驟步驟1將鎵錳砷樣品刻蝕成霍爾元件形狀，采用銦壓焊技術(shù)制作電極，該電極與恒流源和電壓表連接；步驟2將步驟1所述的霍爾元件放入閉循環(huán)制冷系統(tǒng)中，所述閉循環(huán)制冷系統(tǒng)的溫度范圍是10K-300K；步驟3測量霍爾元件切向電阻與溫度的關(guān)系曲線，確定鎵錳砷導(dǎo)電特征從絕緣性轉(zhuǎn)變到金屬性的相變溫度，從而確定鎵錳砷薄膜的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
在零磁場條件下，隨著溫度的降低，(Ga，Mn)As的導(dǎo)電特征在其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度(Tc)處將發(fā)生絕緣性到金屬性的轉(zhuǎn)變，即當(dāng)溫度高于Tc時(shí)，切向電阻Rsheet隨溫度的降低增大，當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，切向電阻Rsheet隨溫度的降低減小。我們發(fā)現(xiàn)致使(Ga，Mn)As導(dǎo)電特征從絕緣性轉(zhuǎn)變成金屬性的溫度即為(Ga，Mn)As的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
我們利用分子束外延技術(shù)生長制備了(Ga，Mn)As樣品，其結(jié)構(gòu)見附圖1，首先在經(jīng)過清洗、除氣和脫氧的半絕緣GaAs襯底上生長厚度約為100nm的緩沖層來平滑襯底表面，然后利用低溫分子束外延技術(shù)生長厚度為500nm、Mn含量為7％的一層(Ga，Mn)As薄膜。將部分(Ga，Mn)As薄膜樣品刻蝕成尺寸如圖2a所示的霍爾元件形狀，采用In壓焊技術(shù)將霍爾元件的第一端1和第二端2與恒流源10相連，霍爾元件的第三端3和第四端4與電壓表20連接(見圖2b)，然后將其固定在閉循環(huán)制冷機(jī)(未圖示)的樣品架上抽真空制冷，開始測量該樣品的切向電阻與溫度的關(guān)系。
隨著溫度的降低，(Ga，Mn)As的切向電阻Rsheet開始增大，如圖3所示，切向電阻Rsheet從溫度為290K時(shí)的0.6KΩ增大為55K時(shí)的1.2KΩ，然后隨著溫度的降低，Rsheet開始減小，當(dāng)溫度降到22K時(shí)，切向電阻Rsheet減小至0.92KΩ。從SQUID測量得到的殘余磁矩與溫度的依賴關(guān)系表明溫度55K剛好是該(Ga，Mn)As樣品的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度值，見圖4中所示的A點(diǎn)。這說明在零磁場條件下，隨著溫度的降低，(Ga，Mn)As在其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度處將發(fā)生絕緣性到金屬性的轉(zhuǎn)變，而致使(Ga，Mn)As導(dǎo)電特征從絕緣性轉(zhuǎn)變成金屬性的溫度即為(Ga，Mn)As的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
為了更進(jìn)一步的證明這一技術(shù)的可靠性，我們對該(Ga，Mn)As樣品進(jìn)行了一系列的低溫退火處理，即改變其鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。我們?nèi)允褂眠@個(gè)方法測量了該樣品經(jīng)過了不同溫度退火處理(200℃C、250℃、260℃、270℃和280℃各1小時(shí))后的切向電阻Rheet與溫度的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著退火溫度的提高，發(fā)生絕緣性-金屬性相變的溫度值也在提高，如圖4所示。我們發(fā)現(xiàn)每一個(gè)致使其導(dǎo)電性發(fā)生絕緣性-金屬性相變的溫度值都與用SQUID測得的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度相吻合，見圖4中所示的B、C、D、E和F點(diǎn)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了利用這一技術(shù)確定(Ga，Mn)As薄膜的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種通過測量輸運(yùn)性質(zhì)確定稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1將鎵錳砷樣品刻蝕成霍爾元件形狀，采用銦壓焊技術(shù)制作電極，該電極與恒流源和電壓表連接；步驟2將步驟1所述的霍爾元件放入閉循環(huán)制冷系統(tǒng)中；步驟3測量霍爾元件切向電阻與溫度的關(guān)系曲線，確定鎵錳砷導(dǎo)電特征從絕緣性轉(zhuǎn)變到金屬性的相變溫度，從而確定鎵錳砷薄膜的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過測量輸運(yùn)性質(zhì)確定稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法，其特征在于，其中所述閉循環(huán)制冷系統(tǒng)的溫度范圍是10K-300K。
全文摘要
一種通過測量輸運(yùn)性質(zhì)確定稀磁半導(dǎo)體鎵錳砷鐵磁轉(zhuǎn)變溫度的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1將鎵錳砷樣品刻蝕成霍爾元件形狀，采用銦壓焊技術(shù)制作電極，該電極與恒流源和電壓表連接；步驟2將步驟1所述的霍爾元件放入閉循環(huán)制冷系統(tǒng)中；步驟3測量霍爾元件切向電阻與溫度的關(guān)系曲線，確定鎵錳砷導(dǎo)電特征從絕緣性轉(zhuǎn)變到金屬性的相變溫度，從而確定鎵錳砷薄膜的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度。
文檔編號G01N27/00GK1815213SQ200510006769
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者趙建華, 蔣春萍, 鄭厚植, 鄧加軍, 楊富華, 牛智川, 吳曉光 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所