室温透明磁性半导体及相关器件

Diluted semiconductor can be realized by doping a small amount of ferromagnetic element into semiconductor. However, such diluted semiconductors have a Curie temperature less than 200K so that they cannot be used as spintronic device at room temperature. By using opposite way of realizing diluted semiconductor, we introduced oxygen into CoFeTaB ferromagnetic metal glass and converted the metal glass to transparent room temperature ferromagnetic semiconductor CoFeTaBO thin film. This ferromagnetic semiconductor has a Curie temperature over 350K, optical band gap of 3.6eV and carrier density of 10E21cm-3. The material shows an abnormal Hall Effect and it has an interesting magnetoresistance effect at low temperature. The material also shows a giant Faraday Effect. This new method opens a new way to realize room temperature ferromagnetic semiconductor. The research contents of this application are: (1) enhance the physical properties of our new room temperature ferromagnetic semiconductor by improving fabrication method; (2) make a field effect device by using ion liquid double electric layers for studying modulation of magnetism by electric field at room temperature; (3) make a ferromagnetic semiconductor/Si heterojunction for studying spin injection by non-polarized light; (4) study interaction and coupling among electric, magnetic and optic properties of this ferromagnetic semiconductor for new spintronic device.

目前的稀磁半导体大都是在半导体材料里掺入少量铁磁元素，但是这种稀磁半导体的居里温度不高，无法满足电子自旋器件的工作要求。和稀磁半导体研究思路相反， 我们在磁性金属里添加氧元素， 把该磁性金属转变为非晶态的室温透明铁磁半导体CoFeTaBO薄膜，该材料的居里温度大于350 K，禁带宽度为3.6eV，载流子浓度为10E21cm-3，该材料有显著的反常霍尔效应，在低温下有奇异的磁阻现象，还有极大的法拉第效应。该方法为研究室温磁性半导体开辟了新路。本申请的主要研究内容是：（1）改进材料制备工艺，提高该新型室温磁性半导体的物性；（2）研究如何采用离子液体双电层结构来制备场效应器件，以实现在室温下用电场来调控磁性；（3） 用该磁性半导体和Si构成的异质结做非偏振光的自旋注入研究；（4）研究我们的室温磁性半导体中电磁光的相互作用和耦合以及如何利用它们构建新的器件。

过去人们采用在半导体里掺杂铁磁金属来制备磁性半导体，但是这样制备的磁性半导体居里温度很难超过200K。本研究反其道而行，我们采用磁性金属颗粒来制备块体材料并在制备过程中将其氧化来制备磁性半导体。. 我们采用磁控溅射法生长CoFeTaBO（CFTBO）薄膜，生长时通过调节样品的氧含量来改变材料的物性。用TEM对样品进行了结构的表征，发现样品是由细小的晶粒（约5nm）构成的非晶态薄膜。我们标定了样品氧含量与生长中通入氧气的流量之间的关系， 用XPS我们测定了样品中各元素分布及他们与氧含量之间的关系，还研究了氧流量对薄膜中各元素氧化态的演变的影响。. 我们对CFTBO薄膜建立了一个具有n×n个结点的正方网格模型，通过MC模拟，研究了磁性颗粒的大小对磁化曲线的影响， 还研究了不同外场方向上薄膜的磁化性质。.我们发现随着氧含量的增加，CFTBO的电阻率也会随之增加。我们还在氧含量较高的样品中发现了磁电阻现象， 该磁电阻可用基于不同磁性颗粒之间的隧穿磁电阻机理来解释。我们发现随着氧含量的增加，CoFeTaBO薄膜的透光率也随之增加，光学带隙也随之增大（3.48eV-5.01eV）。还发现我们的CoFeTaBO薄膜可能是n型半导体。. 我们采用离子液体做门电极，通过外加电场的方式对CoFeTaBO薄膜的磁化性能进行了调控。. 本课题的主要研究意义在于：为研究磁性半导体开辟了一条新路，有可能获得半导体性能良好的磁性半导体， 为自旋电子学应用提供新材料和新可能。. 本课题期间： 发表SCI 论文20篇， 参加国际会议36次（做邀请报告14次），参加国内会议7次（做邀请报告16次），获得发明专利9个(其中国际专利2个)。