掺铁硅基稀磁半导体薄膜的制备及其电学和磁学性质研究.DOC

掺铁硅基稀磁半导体薄膜的制备及其电学性质研究 苏卫锋，王佳乐，朱海，樊永良，蒋最敏 应用表面物理国家重点实验室，复旦大学，上海 200433 Email：zmjiang@fudan.edu.cn Ⅳ族稀磁半导体由于与传统半导体材料的兼容性，引起了人们的广泛关注。据报导，实验上已有MnxGe1-x、MnxSi1-x、、FexGe1-x、等稀磁半导体材料的制备及物理性质研究，但关于铁掺杂的硅基稀磁半导体却没有相关的报导。我们通过用分子束外延（MBE）的方法制备了不同Fe含量的FexSi1-x、薄膜，并对其生长条件、结构、及其电学和磁学性质做了研究（其制备方法和结构的研究成果已发表在J. Cryst. Growth）。本文主要研究Fe0.04Si0.96薄膜的电学性质。 Fe0.04Si0.96薄膜是用MBE的方法在P型Si（001）衬底上制备的，其厚度为40nm，生长温度是250℃。横截面试样高分辨率的透射电镜（图1）观察表明Fe0.04Si0.96薄膜的生长为外延生长，在薄膜中也没有观察到颗粒或団簇结构。二次离子质谱深度分布曲线（图2）则说明了Fe在薄膜中沿生长方向分布均匀，并且Fe原子没有明显的表面偏析行为。 图3是薄膜的磁阻（MR=（R（3T）-R（0T））/R（0T））随温度变化的曲线，从图中可以看出Fe0.04Si0.96薄膜在低温下有巨磁阻效应，并且在30K左右磁阻达到最大值。图4是薄膜的电阻率随温度变化的曲线，从曲线上我们可以很明显看出在不同的温区薄膜有着不同的导电机制。如图所示，在较低温度区激活能为40meV，这说明Fe在Si中存在一个浅的受主能级；而在更低的温度区中，激活能则变为了2.5meV。图5是在不同温度下测量的薄膜的霍尔（Hall）电阻率，在30K以下就可以看到很明显的反常霍尔效应，并且随着温度的降低，外推出的正常霍尔系数会改变符号，这意味着本来由空穴导电的薄膜在低温下会变成电子导电。图4中低温区的激活能或许可以说明这个问题，随温度的降低起导电作用的不再是浅的受主能级，而变为杂质带导电。 图3：不同温度下磁阻的变化 图1：Fe0.04Si0.96薄膜的横截面试样高分辨率的 透射电镜照片。 图2：用二次离子质谱分析Fe0.04Si0.96薄膜的组分 图5：不同温度下薄膜的霍尔电阻率 图4：零磁场下电阻随温度的变化