分子束外延制备稀铁磁性Mn_xGe_1-x量子点研究进展

黄训吉^1,2，杨杰^1,2，李广洋^1,2，王茺^1,2，杨宇^2,3

1. 云南大学材料科学与工程学院2. 云南大学国家光电子能源材料国际联合研究中心3. 云南大学能源研究院

摘 要：稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors,DMSs）能同时利用电子的电荷和自旋特性,从而具有了半导体材料和磁性材料的双重性能,它利用载流子及其自旋,使自旋电子器件应用于信息存储、传输、处理成为可能。因而,作为微电子产业的重要组成部分,Mn掺杂的Ge量子点（Quantum dots,QDs）稀铁磁性半导体材料由于具备与当今Si基微电子学技术的兼容性以及具有比Ⅲ-Ⅴ族DMSs更高居里温度（Curie temperature,T_C）的可能性而引起广泛关注。制备的Mn_xGe_1-x QDs自旋电子器件具备小尺寸、低能耗、数据处理快、集成度高、稳定性好等优异性能,对未来自旋电子器件的发展起到举足轻重的作用。虽然,由Mn掺杂的Ⅳ族Mn_xGe_1-x QDs DMSs材料被认为是实现室温可操控性电子自旋器件以及可控铁磁性能的理想材料候选者。但想要制备高性能、高稳定性的Mn_xGe_1-x QDs DMSs材料依旧面临诸多挑战。其一,虽然通过提高基质中磁性掺杂剂的浓度可以使系统获得高的T_C,但Mn掺杂剂在Ge中的极限溶解度值远低于致使系统获得高T_C的掺杂剂浓度值;其二,Ge_1-xMn_x QDs中高的Mn掺杂浓度容易导致金属间析出相(如:Mn₅Ge₃和Mn₁₁Ge₈)的形成;其三,Mn掺入到Ge QDs中需要低的生长温度和低的表面扩散率,而QDs的自组装生长总是需要高的生长温度和高的表面扩散率,即实现更高的亚稳态掺杂水平可能是增强DMSs的T_C的主要限制因素;其四,铁磁性和高T_C的起源和增强机制的理论解释仍不明确,值得深入探究。因此,近年来研究者们主要从选择合适的生长参数,优化Mn_xGe_1-x QDs薄膜的制备工艺方面不断尝试,并取得了丰硕的成果。其一,Mn_xGe_1-x QDs的T_C提高至400K以上;其二,明确了金属间析出相（Mn5Ge3和Mn11Ge8）的T_C分别为296K和270K,其T_C趋于室温;其三,发现了电场控制铁磁性能和磁运输性能,首次将电场控制铁磁性温度提高至300K,并将其归结为量子限制效应;其四,由于Mn_xGe_1-x QDs中量子效应的存在,硼（B）的调制掺杂可以增加Mn_xGe_1-x QDs中的空穴浓度,从而增强其T_C。本文归纳了Mn_xGe_1-x稀铁磁性半导体材料的研究进展,重点归纳了分子束外延（Molecular beam epitaxy,MBE）制备稀铁磁性Mn_xGe_1-x QDs的研究进展。并分别介绍了各生长参数对Mn_xGe_1-x QDs的形态及其磁性能的影响。分析了目前研究中仍待解决的难点,展望了该材料在微电子领域的应用前景。

关键词：Mn掺杂;Mn_xGe_1-x量子点;Mn_xGe_1-x薄膜;高居里温度;稀磁半导体;