新型半导体基垂直磁各向异性材料及器件

Recent years, the important progress has been made in semiconductor spintronics, not only in material preparation, but also in spin generation, injection, transport, manipulation and detection in semiconductors. So far, the spin manipulation and functional demo in semiconductor spintronic devices are generally based on plane magnetized materials as spin-polarized sources. But, when the size of devices is reduced to nano-scale, their performance and stability will be affected seriously by plane demagnetizing field and superparamagnetism of unit magnetic structure. Perpendicularly magnetized films epitaxied on semiconductors are expected to circumvent this problem. This project will focus on the problem that many perpendicular magnetized materials seriously mismatch with mainstream semiconductors GaAs and Si in the structure, which makes it difficult to ensure the interface and the crystal quality of ferromagnet/semiconductor hybrids. We plan to grow the high-quality perpendicular magnetized films on semiconductors, and explore the critical processing techniques and spin manipulation manners of high-performance magnetic tunnel junctions, spin light-emitting diodes and nonlocal annular radial spin valves based on perpendicular magnetized ferromagnet/semiconductor hybrids. We will provide the useful information and instruction for the future novel semiconductor spintronic devices with ultra-high integrated density, ultra-high speed and ultra-low power, ultra-high thermal stability and resistance to electromagnetic interference.

近年来半导体自旋电子学研究无论在材料制备还是自旋在半导体中的产生、注入、输运、调控和检测等方面均取得了十分重要的进展。但是，迄今为止，对半导体自旋电子器件结构进行的自旋量子调控及部分功能演示基本上是以面内易磁化材料作为自旋极化源，当器件尺寸减小至纳米量级时，单元磁结构的面内退磁场和超顺磁效应等均会严重影响器件的性能和稳定性。半导体基垂直磁各向异性薄膜有望规避这个问题。本项目拟针对目前存在的大部分垂直磁各向异性材料与半导体结构上存在着严重失配、难以保证界面及铁磁层晶体质量的难题，探索制备与主流半导体结构和工艺兼容的高品质垂直磁各向异性材料，研究高性能半导体基垂直磁各向异性隧道结、自旋发光二极管和非局域环状径向自旋阀的关键制备工艺和自旋调控技术，为研制新型易于超高密度集成、超高速和低功耗运行、超高热稳定性和抗电磁干扰的半导体基垂直磁各向异性自旋电子器件提供物理指导和进行前期技术储备。

垂直磁各向异性薄膜是探索易于超高密度集成、超高速和低功耗运行、热稳定性好且抗电磁干扰的新型自旋电子器件的重要材料体系。本项目按照基金委重点项目计划书，针对与主流半导体GaAs结构和相关器件工艺兼容的垂直磁各向异性L10-MnGa和L10-MnAl薄膜及其异质结构开展研究工作，取得了一系列重要进展。主要包括：掌握了制备L10-MnGa超薄单晶膜的关键技术；建立了L10-MnGa外延薄膜的磁电阻与反常霍尔效应的标度关系；在L10-MnAl薄膜中首次实验证明了理论物理学家Alfred Zawadowki教授1980年预言的重要物理现象---轨道双通道近藤效应；率先在无外加磁场下观测到垂直磁各向异性L10-MnGa/n-GaAs量子阱的铁磁近邻效应；设计制备加工出L10-MnGa基磁性隧道结，其室温隧穿磁电阻率为30%，线性动态响应范围达到2 T；设计制备加工出上、下电极均为垂直磁各向异性L10-MnGa/Co2MnSi复合电极的磁隧道结，其室温隧穿磁电阻率为 10%，10 K时达到65%；研究了D022-MnGa/Pt双层膜中的电流驱动磁化翻转效应，通过施加脉冲电流和一定的面内磁场~10 Oe，实现了自旋轨道矩诱导的磁化翻转，对应的临界翻转电流密度Jc为1.84×10^7 A/cm^2；进行了L10-MnGa基的自旋发光二极管和非局域横向及径向自旋阀的制备加工和自旋调控研究等。.项目执行期间共发表相关文章35篇，包括Nature Commun. 1篇、Nature Nanotech. 1篇、Nano Lett. 2篇、PRL 1篇、PRB 6篇、Sci. Rep. 5篇等，其中标注项目资助号文章27篇。项目相关国际会议邀请报告11次，国内会议邀请报告10次。申请专利3项，授权专利2项。项目负责人获2016-2017年度黄昆固体物理与半导体物理奖、2014年度中国电子学会科学技术一等奖、2014年度中科院优秀研究生指导教师称号。团队成员中1人次获2018年度亚洲磁学联盟青年学者奖、3人次获中科院青促会会员称号。培养的研究生7人次获中科院院长奖学金优秀奖、中科院优秀博士学位论文、国家奖学金和美国超导奖等奖励、5人次在历年秋季物理年会上获优秀墙报奖、1人次获2015国际磁学大会最佳墙报奖。.本项目完成了任务书中研究内容，实现了预期目标。