ZnO磁性半导体双势垒隧道结及其自旋过滤效应的研究

Magnetic semiconductor tunnel junctions integrated spin injection, spin transport and spin detection,which is one hot field on semiconductor spintronic devices. Based on our previous research, in this project, we will grow fully epitaxial ZnO magnetic semiconductor multilayers by using oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy. Comparing to metal magnetic material, ZnO magnetic semiconductor can solve the problems of oxidization at interface and mismatch of resistance and laticce constants. However, the ZnO magnetic semiconductor tunnel junctions in literature, it hindered by poor film growth and small tunnel magnetoresistance. To avoid the ferromagnetic interaction between two ferromagnetic layers, we will desigen and fabricate ZnO magnetic semiconductor double barriers tunnel junctions. A ferromagnetic insulator ZnO:CoMg will be introduced to enhance the tunnel magnetoresistance based on spin filter effect.We will discuss the mechanisms and relationship between interface states and spin filter effect and spin injection from ZnO magnetic semiconductor into ZnO, and mechanism of spin transport in ZnO semiconductor. This project aspects to offer important experimental data for the application of new semiconductor spintronic devices.

磁性半导体隧道结集自旋注入、传输和检测为一体，是半导体自旋电子学器件的热点之一。在前期的研究工作基础上，本项目拟利用氧等离子体分子束外延技术，制备全外延的ZnO磁性多层膜。相比金属磁性材料，ZnO磁性半导体可以避免界面氧化以及电阻和晶格失配问题。但是，在以往的ZnO磁性半导体隧道结中，存在外延质量差和遂穿磁电阻小等问题。本项目拟通过设计并制备ZnO磁性半导体双势垒隧道结，以避免两个铁磁层之间的铁磁耦合作用；并用铁磁性绝缘层ZnO:CoMg的自旋过滤效应，实现遂穿磁电阻的增强。将探讨界面态和自旋过滤效应对于自旋电流从ZnO磁性半导体遂穿注入到ZnO半导体的作用机制，以及自旋电流在ZnO半导体中的传输机制。本项目的实施，对于实现新型的半导体自旋电子学器件的应用提供重要的实验数据。

氧化物磁性半导体具有高于室温的铁磁性，因此在半导体自旋电子学器件方面有较大的应用前景。磁性氧化物由于具有丰富的结构和物理特性而得到广泛的关注，尤其是氧化物中的自旋、电荷和轨道之间的强关联作用而导致的相分离和多相共存，往往使得磁性的微观机理问题变得非常复杂。目前氧化物稀磁半导体，在铁磁性的起源以及自旋电流相关的输运性能等科学问题，一直没有一致的结论。其中比较关键的因素，不能完全的排除氧化物磁性半导体中纳米磁性颗粒的可能性。. 本项目取得的工作和成果，集中在ZnO基磁性半导体薄膜的铁磁性和自旋输运性能的研究。包括ZnCoO磁性半导体的高质量单晶薄膜的分子束外延的可控生长、缺陷引起的局域振动模与铁磁性的研究、s,p-d交换耦合机制的研究、自旋电流相关的磁电阻效应和反常霍尔效应、基于内禀反常霍尔效应的内禀铁磁性、以及电极化驱动的自旋电流相关的磁电阻效应和反常霍尔效应。其中最主要的创新点：1）高掺杂ZnCoO磁性半导体的制备。通过工艺的改进获得了高掺杂的ZnCoO磁性半导体薄膜，不但能够维持母体ZnO的单晶纤维锌矿结构，并且室温下的饱和磁化强度比低掺杂的薄膜提高1个多量级，为进一步的基础研究和应用提高了可能性。2）实验观察到了内禀机制的反常霍尔效应，这是氧化物磁性半导体的首次。另一方面，内禀反常霍尔效应也提供了内禀铁磁性的证据。本项目的实施，对于实现新型的半导体自旋电子学器件的应用提供重要的实验数据。