Nature Communications：日本東京大學科學家首次在Mn摻雜GaAs材料中發現：伴隨鐵磁相變過程中，能帶有序的快速恢復

xukun 7年前 (2016-07-06) 3610瀏覽

引語：

半導體中能帶的有序是決定載流子波函數的移動性和連續性的重要影響因素，因此也是決定器件性能的一個重要因素。然而在重摻雜的半導體當中，雜質相的存在會不可避免得影響能帶有序性，進而降低半導體的性能。目前幾乎所有的研究表明隨著摻雜濃度的提高，會使得材料中能帶有序性受到干擾，降低載流子波函數的移動性或連續性。

成果簡介：

近期，來自日本東京大學的Iriya Muneta（通訊作者）、Shinobu Ohya（通訊作者）和Masaaki Tanaka（通訊作者）首次報道了在Mn摻雜GaAs體系中（（Ga，Mn）As）的反常現象。研究發現當Mn摻雜量稍微超過0.7%，Mn摻雜GaAs材料會出現能帶有序的快速恢復，這個現象在一般的摻雜半導體材料體系中很難被預測到。同時該現象的發生會伴隨著鐵磁性相變的轉變，而鐵磁性相變的出現被認為是在調控有序能帶結構過程中扮演著重要作用。

該項研究結果的發現為半導體基超高速量子自旋效應器件的實現提供了可能。

圖文導讀：

圖1. Mn摻雜GaAs材料在伴隨鐵磁性相變過程中價帶能帶有序性恢復的具體圖解。

圖1. (a,c,e)中的藍色波形代表價帶空穴布洛赫函數的平面波包絡函數的圖形，大的紅色自旋圖形代表定域Mn的d軌道自旋。小的藍色自旋圖形代表定域p-空穴，它和Mn的d軌道之間發生反鐵磁性交換作用；(a)圖代表順磁性狀態，(c)圖代表剛發生鐵磁性轉變過程前的順鐵磁性狀態，(e) 圖代表鐵磁性狀態；(b,d,f)圖分別是當GaMnAs處于順磁性(b)、剛發生鐵磁性轉變過程前的順鐵磁性狀態 (d)以及鐵磁性狀態(f)時的價帶色散曲線（藍色曲線）和無色散水平能帶，這里的紅色虛線代表費米能級；(a,c)圖所示在順磁性狀態中，價帶空穴波函數會被雜質原子所干擾，因此在(b,d)中，價帶有序性也會受到干擾；(e)圖所示在鐵磁性狀態，價帶空穴波函數對于單個Mn原子的變化不敏感；(e)圖所示價帶空穴波函數能連續進入晶體中，并能建立起有序的價帶結構。

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表1. 表中所示是該研究中樣品的一系列具體參數。

x代表Mn摻雜濃度，y代表頂部電極中Mn的摻雜濃度，d代表量子阱的厚度，T_s代表生長溫度，T_c代表居里溫度。

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圖2. 器件結構的圖解和共振隧道光譜原理。

該研究所使用的器件由以下組成：( Ga1 yMnyAs (20 or 50 nm)/AlAs (6 nm)/Ga1 xMnxAs QW or GaAs:Be QW (d nm)/AlAs (6 nm)/GaAs:Be (100 nm) on a p t GaAs (001) substrate for samples A–M and P–Y (a) and GaMnAs QW (d nm)/AlAs (5 nm)/GaAs:Be (100 nm) on a p t GaAs (001) substrate for samples O1–O3 )；(c,e)代表GaMnAs量子阱中雙勢壘均勻結構中價帶示意圖；(d,f)代表理想情況下偏壓和諧振水平(resonant levels作為d的函數)之間的函數關系，圖示的函數曲線趨于一個固定值，其對應于價帶頂端能量值，如果該固定值在負偏壓區域，則GaMnAs材料中的費米能級處于禁帶中。

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圖3. Mn摻雜量x和能帶有序之間相互關系的結果預測

(a-f)圖中顏色標注的示意圖是代表不同Mn摻雜濃度( x = 0.03, 0.3, 0.55, 0.9, 1.6, 2.3%)下的d²I/d²V與量子點厚度(d)和所加偏壓之間的函數關系。當摻雜濃度從0.03%提高到0.55%時，函數振幅減弱，但是當濃度超過0.9％，鐵磁相變發生后，函數振幅又恢復。(g)圖為不同Mn摻雜濃度下的樣品d²I/d²V與偏壓V之間的特征關系曲線（此時d為11nm），圖中的黑灰色箭頭分別表示第三個波谷和波峰。(i)圖中d^＊表示為在第一個heavy hole的波谷和第一個light hole的波峰之間的d值。正方形表示順磁性的數據，圓形的表示鐵磁性的數據。

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圖4. 具有不同Mn摻雜濃度和居里溫度(T_c)的樣品中溫度和共振隧道效應之間的關系比較。

(a-c)圖中顏色標示圖代表著樣品O3(Mn摻雜濃度為6%，居里溫度為132K，T_max為60k)，O2（Mn摻雜濃度為3.6%，T_c為86k，T_max為50k）和Y（Mn摻雜濃度為1.3%，T_c為35k，T_max為20k）的d²I/d²V量子點厚度d以及施加的偏壓V之間的函數關系。(d)圖表示T_c與T_max之間的聯系，圖中的字母代表本實驗中的不同樣品。