ZnO基半导体异质结构ZnCoO/ZnMgO/ZnGaO的分子束外延及其Hanle效应研究

Spin injection into semiconductor is one of the hot topics in solid state physics, material science and information technology, and also a key element in realizing various semiconductor spintronic devices. To address the problems of low spin injection efficiency and divergence of spin-dependent transport mechanism, in this project, we will use oxide magnetic semiconductor ZnCoO as the spin injector and grow fully epitaxial ZnO-based ferromagnetic semiconductor/insulator/non-ferromagnetic semiconductor heterojunctions using oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy. Further studies will be executed to attain the optimized condition for high spin injection efficiency. By systematic analysis of the Hanle effect of the ZnCoO/ZnMgO/ZnGaO heterojunctions and its dependence on temperature, bias voltage and carrier density of the non-ferromagnetic semiconductor, it will clarify the intrinsic properties and underlying physics of spin-dependent transport. Through changing the concentration of Mg and thus the bandgap of ZnMgO barrier, the spin-dependent transport properties will be controlled. This project aspects to find out the spin-dependent transport mechanism in ZnO-based semiconductor heterojunctions and achieve higher spin injection efficiency,which will promote the application research of semiconductor spintronic devices.

半导体的自旋注入是凝聚态物理、材料和信息科学领域的研究热点，也是半导体自旋电子学器件能够实用化的关键。针对目前半导体自旋注入效率低且注入机理严重分歧的问题，本项目拟选用氧化物磁性半导体ZnCoO作为自旋极化电子的源材料，（1）利用分子束外延系统制备全外延的ZnO基磁性半导体/绝缘势垒层/非磁性半导体结构，探索实现高效自旋注入的条件；（2）研究ZnCoO/ZnMgO/ZnGaO异质结的Hanle效应，及其随温度、偏压和非磁性半导体载流子浓度的变化规律，明晰自旋极化电子的本征输运特性，探究异质结自旋极化输运的物理机理；（3）改变ZnMgO势垒层中Mg的掺杂浓度，调节其禁带宽度，研究势垒层的禁带宽度及厚度对异质结自旋极化输运性质的调控规律。本项目的实施将加深我们对ZnO基半导体自旋注入及其异质结自旋极化输运机理的认识，有望实现更高的自旋注入效率，促进自旋电子学器件的应用研究。

半导体的自旋注入是自旋电子学研究的主要内容之一，也是半导体自旋电子学器件能够实用化的关键。铁磁材料/氧化物势垒层/非磁性半导体（FM/I/SC）结构，可以比较有效地解决电导失配的问题，提高注入效率。Hanle效应是检测FM/I/SC结构自旋注入最有效的方法之一。到现在为止，基于 F/I/SC异质结 Hanle效应的半导体自旋注入研究取得了一系列重大进展，但也还存在很多问题，如Hanle信号的实验值比理论值大好几个数量级、注入机理严重分歧等。本项目制备了较高质量的CoFe/SiO2/Si结，并研究了其Hanle效应及其随温度、偏压、势垒层厚度和外磁场方向的变化规律。结果表明：（1）在CoFe/SiO2/Si结中获得了较大的Hanle信号，90 K下偏压VFM-VSi=-1 V时Hanle电压可高达2.02mV。（2）Hanle信号随偏压的研究表明其具有较强的偏压依赖性。随着偏压的增大，Hanle信号也随之增大，且当偏压VFM-VSi<0时Hanle信号的变化较VFM-VSi>0时更为显著，当偏压为±0.5 V时，ΔRS·A分别为14.72 kΩ·μm2 和 4.38 kΩ·μm2。与Hanle信号的偏压和温度依赖性不同，注入载流子的自旋寿命和自旋扩散长度几乎不随偏压和温度变化。（3）不同外磁场Bext方向（0 ≤ θ ≤ 180˚，θ为磁场方向与CoFe 磁化强度方向的夹角）下的Hanle信号研究表明Hanle信号的渐近值随角度θ的变化曲线可以用cos2θ拟合，与自旋注入和进动模型相符。（4）Hanle效应随势垒层厚度的研究表明CoFe/SiO2/Si结的自旋结电阻面积积ΔRS·A随其隧穿电阻面积积指数增长。基于以上结果，CoFe/SiO2/Si中的Hanle信号主要来源于自旋极化的电子从铁磁层CoFe向半导体Si中的注入，但也不能完全排除杂质辅助的隧穿磁电阻等的贡献。要想完全揭示FM/I/SC结自旋极化输运的物理机理还需要更深入的研究。

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