高品质半导体自旋电子材料制备及其自旋量子调控

半导体自旋电子学研究的目的主要是以半导体中的电子自旋作为信息载体，在同一芯片中实现信息的加工处理、传输和存储，从而提升现有器件的功能和开发新一代半导体自旋量子器件。半导体自旋电子材料和自旋量子调控技术的突破是实现半导体自旋电子学研究目的之前所必须解决的关键科学问题和技术挑战。本申请项目瞄准这些科学问题和技术挑战，计划在已有半导体自旋电子学研究工作基础上继续开展创新研究和引领未来技术的探索，将针对三类半导体自旋电子材料：III-V族稀磁半导体、与半导体结构兼容的闪锌矿结构半金属铁磁体和具有室温铁磁性的铁磁金属开展研究。具体为进行这三类高品质半导体自旋电子材料的分子束外延生长，研究基于这三类铁磁性材料与非磁性半导体构成异质结构的自旋极化电子注入、输运、操作和检测等量子调控技术，为研制新一代多功能、高性能、超高速和低功耗的半导体自旋电子器件乃至自旋量子比特器件提供物理指导和进行前期技术储备。

该项目针对半导体自旋电子材料的分子束外延生长、相关磁性异质结构设计及自旋量子调控进行了研究。建立并完善了高质量磁性半导体、半金属、铁磁金属及合金薄膜的制备方法，发展了相关磁性异质结构自旋量子调控实验技术，为进一步探索可实用的半导体自旋电子器件奠定了基础。取得如下主要成果：.1.通过高Mn掺杂方法，将典型的磁性半导体材料 (Ga,Mn)As居里温度提高到191K，创下2009年的国际最高纪录。之后，又结合高Mn掺杂和微纳加工技术，把(Ga,Mn)As的居里温度进一步提高到200K，这是目前世界最高值。.2.在GaAs衬底上首次实现了高质量L10相Mn1.5Ga单晶薄膜的分子束外延生长，该类薄膜在室温环境中具有4.3 T的超高垂直矫顽力、21.7 Merg/cc的超强垂直磁各向异性，在制备具有高热稳定性、抗电磁干扰的半导体自旋电子器件方面有较大潜力。.3.利用分子束外延技术在GaAs上制备出高质量铁磁金属Fe、铁磁金属合金MnAs、半金属Heusler合金Co2MnAl、Co2FeAl和Co2MnFeAl等单晶薄膜，系统地研究了它们结构、自旋依赖性质及磁性来源。.4.利用分子束外延技术，在Si衬底上成功地生长出纯闪锌矿结构的GaAs/(Ga,Mn)As核/壳纳米线、(Ga,Mn)As量子点，铁磁性存在于这两种磁性纳米结构中。为设计制备纳米尺度的半导体自旋电子器件提供了重要的材料体系。.5.利用电学或光学手段对(Ga,Mn)As磁性半导体自旋动力学行为进行了调控研究；研究了自旋极化电子由Fe向半导体中注入、输运、调控及检测；在(Ga,Mn)As基磁隧道结器件中观察到了明显的隧穿磁阻效应。为研发新一代高性能半导体自旋电子器件奠定了重要的前期基础。.项目研究期间，发表SCI论文35 篇，包括Nano Lett. 2篇、Adv. Mater. 1篇、Appl. Phys. Lett. 9 篇、Phys. Rev. B 2 篇、撰写综述论文2篇、EPL 2篇。举办境内国际磁性半导体研讨会2次。参与组织国际学术会议9次。在国际学术会议上做邀请报告8次。在国内学术会议上做邀请报告6次。.该项目完成了研究计划内容。