Khóa luận tốt nghiệp Vật lý: Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ chế tạo của tính chất từ vật liệu bán dẫn từ indium iron antimonide (In, Fe) Sb

Chang hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu nhiều nhất hiệnnay là Galium Manganese Asenide Ga,MnAs có nhiệt độ Curie cao nhất cũng chi 200K -73°C,* điều nay gây khó khăn cho việc đưa vào

Nguyễn Bình An

KHẢO SÁT SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ

CHE TẠO CUA TÍNH CHAT TỪ CUA VAT LIEU BAN DAN TỪ INDIUM IRON ANTIMONIDE (In,Fe)Sb

KHOA LUAN TOT NGHIEP DAI HOC

Thanh phố Hồ Chí Minh — 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HÒ CHÍ MINH

Nguyễn Bình An

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KHAO SAT SU PHU THUỘC NHIỆT ĐỘ

CHE TAO CUA TINH CHAT TU CUA VAT LIEU BAN DAN TU INDIUM IRON ANTIMONIDE (In,Fe)Sb

Nganh Su pham Vat ly

Mã số sinh viên: 42.01.102.001

Giảng viên hướng dẫn Giảng viên phản biện

TS NGUYEN THANH TÚ TS CAO ANH TUẦN

TP Hồ Chí Minh, năm 2020

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TÁẤT 0c 2 212 211 2 111012 n1 dye 1 DANH MỤC BANG BIEU VA HINH ẢNH 2222-2222 2222 2231222112211 xe 2

0: 0 ` ớ ớ ớ ớ “nốố cố 6 CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE VAT LIỆU BAN DAN TỪ 2- 25222 22zcczxccrscce 8

1.1, Điện tir hoe spin (spimtrOnies) is.csscccssssscsssssssssssssssssssssosssssssesssssssosssssassssesesossssesssesssseses 8

1.2 Vật liệu bán dẫn tir (ferromagnetic semiconductors - FMSs) - 12

1.2.1 Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ - cua 12 1.2.2 Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó 5c s22 14 1.2.3 Vậtliện bản dẫn tù phá LẬP GHG siscsssssssssssssssssssssssienssasscasscssaiscnsonssanssrnssansarnsaananens 17 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHAP PHAN TÍCH MÀNG MONG (In,Fe)§b 23

2.1 Phương pháp Epitaxy chùm phan tử (molecular beam epitaxy - MBE) 23

2.2 Phương pháp kiểm tra chất lượng bề mặt của màng mỏng - 25

2.3 Quang phô lưỡng sắc tròn (magnetic circular dichroism spectra - MCD) 28

2.4 Xác định nhiệt độ Curie bằng phương pháp vẽ Arrott plot .2-5 - 31

CHƯƠNG 3 KET QUA VA BAN LUẬN ch H222 re 32 3.1 Các thông số của mẫn nghiêa céu: - . - 32

3.2 Khao sát hình thái bề mặt và cấu trúc tinh thể của màng mỏng (In,Fe)Sb 34

3.3 Khao sát tính chất quang-từ (magneto-optical) của màng mỏng (In,Fe)Sb 36 0i:1177/(£7 0i 4 40 0/9 ` ốc acc 46

ee 46

4.2 Hướng phát triển cũa để tài -2222 222222222111222111222111122111122111122112 211cc 46

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT

(Theo thứ tự bảng chữ cái)

Chữ viết tắt | Nội dung

FMS | Ferromagnetic semiconductor — Bán dan từ

MBE Molecular-beam epitaxy: Epitaxy cham phan tu

MCD Magnetic circular dichroism - Lưỡng sắc tròn tử tinh

Reflection high-energy electron diffraction - Nhiều xa electron phản

xa nang luong caoGiant magnetoresistance effect - Hiệu ứng từ điện trở không 16

DANH MỤC BANG BIEU VÀ HINH ANH

“Thông số các mẫu bán dẫn từ (In,Fe)Sb trong dé tài Các mẫu

Bảng 3.1 | (In ,Fe,)Sb từ AO đến A4 với nhiệt độ dé từ 210°C đến 33

270C, trong đó mau AO là mẫu InSb đối chiếu.

Cách ghi dit liệu của các loại MRAM (a) MRAM dao bằng từ

trường (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin (Mguồn:

Wikipedia.com)

Minh hoa sự tạo thành vật liệu bán dẫn từ.

Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mong

(Ga,Mn)As có nông độ 3.5%Mn ở SK Hình bên trong biểu

điển độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.

Hình 1.7

Điều khién tính chat từ bằng dòng điện trên (In.Mn)As Trong

đó Rusu là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa Ai.

Hình 1.12

Hình 1.13

Hình 2.1

Hình 2.5

Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số

vật liệu bán dan từ nhóm III-V pha tạp Mn gồm (Ga,Mn)As,

(In,.Mn)As, (Ga.Mn)Sb (In,.Mn)Sb.

Ảnh chụp cau trúc tinh thẻ bằng kính hiện vi điện tử truyền

qua (STEM) của các mẫu bán dẫn từ pha tap sắt như

(In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo bằng phương phápepitaxy chùm phân tử.

Quang phô MCD của (a) các màng mỏng (Ga.Fe)Sb với nồng

độ pha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nông độ pha

tạp Fe từ Š - 16%.

Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số

vật liệu bán dẫn từ nhóm HI-V pha tạp Fe gồm (Ga.Fe)As,

(In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb, và (In,Fe)Sb.

Điều khiến tính chat từ của màng mỏng (In,Fe)Sb bằng điện

trường Trong đó Rian là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ

hóa M Khi đặt vào công điện áp dương (+5V) Rian tăng lên

Sơ đỏ minh họa hệ thông epitaxy chùm phân từ

Mô tả sự tăng trưởng của chùm phân tử trong phương pháp MBE.

Ảnh chụp buông tăng trưởng EpiQuest HI-V MBE tại đại học

Tokyo.

Sơ đồ bó trí thiết bị dé thu phô RHEED

Ảnh RHEED thu được trong quá trình chế tạo màng mỏng

bán dẫn TiO: trên dé LaAlO› bang phương pháp MBE Bêntrái là ảnh RHEED, còn bên phải là anh minh họa hình thái bè

26

Ảnh chụp máy do phô MCD ở trường đại học Tokyo.

(a) Quang phô MCD của (In,Fe)As cho thấy có sự tăng cường

độ mạnh mẽ tại các peak quan trọng của InAs (b) Pho MCD

của lớp Fe dày 44nm thê hiện một peak nén rộng, khác biệthoàn toàn so với (In,Fe)As.

Hình vẽ cấu trúc của các mẫu bán dẫn từ (In.Fe)Sb trên dé

GaAs.

(a) —(d) Hình ảnh RHEED của các lớp đệm AISb của các

mau theo thứ tự tương ứng AI — A4.

Hình ảnh RHEED của lớp (In,Fe)Sb của các mẫu theo thứ tự.

Phố MCD cúa các mẫu (In,Fe)Sb (A0-A4) chế tạo ở các nhiệt

độ khác nhau (210°C, 230°C, 250°C, 270°C) Phô MCD được

đo ở nhiệt độ SK khi đặt trong từ trường TT.

(a) - (đ) Phỏ MCD tương ứng của các mẫu (In,Fe)Sb (A1I-A4)

đo ở 5K dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.5T và IT.

(a) - (đ) Phô MCD tương ứng của các mẫu (In.Fe)Sb (AI-A4)

đo ở SK dưới các từ trường khác nhau 0.2T, 0.Š5T và FT sau

khi đã được chuẩn hóa

trường của các mẫu Al, A2, A3, A4, theo thứ tự được đo ở

các nhiệt độ khác nhau từ 5K đến 300K

Đồ thị Arrott plot của 4 mẫu (In,Fe)Sb từ Al — A4 chế tạo ở

Hình 3.8 ' các nhiệt độ khác nhau lần lượt 210°C, 230°C, 250°C, va

MO DAU

1 L¥ do chon dé tai

Những năm gan đây vật liệu “bán dẫn tir” (ferromagnetic semiconductor FMS) thu hút sự quan tâm nghiên cứu vì nó sở hữu cả hai tính chat quan trọng là tinh

-bán dẫn và từ tính Sự kết hợp của hai tính chất này giúp cho các nhà khoa học có thê

tạo ra những thiết bị điện tử mới như spin-transistor, máy tính lượng tử với nhiều chức năng hơn, nhanh hơn, và tiêu thụ ít điện năng hơn so với các thiết bị điện tử hiện nay.!?

Đề có thể đưa vào sử dụng trong thực tế, nhiệt độ Curie 7c (nhiệt độ chuyên pha giữa thuận từ và sắt từ) của vật liệu bán dẫn từ phải lớn hơn nhiệt độ phòng (khoảng 300 Kelvin (K)) Tuy nhiên, tat ca các vật liệu bán dẫn từ được phát hiện cho đến nay đều

có nhiệt độ Curie rất thấp Chang hạn, chất bán dẫn từ được nghiên cứu nhiều nhất hiệnnay là Galium Manganese Asenide ((Ga,Mn)As) có nhiệt độ Curie cao nhất cũng chi

200K (-73°C),* điều nay gây khó khăn cho việc đưa vào ứng dung trong các thiết bị điện

từ.

Gan đây, nhóm hợp tác nghiên cứu giữa trường Đại học Tokyo (Nhật Ban) và trường

đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã ché tạo thành công chat bán dẫn từ mới Indium

Iron Antimonide (In,Fe)Sb có nhiệt độ Curie cao đến 385K (tức 112°C) bằng phương

pháp epitaxy chùm phân tử.!: Š Đây được xem là vật liệu bán dẫn từ có nhiệt độ Curie

cao nhất được bao cáo cho đến nay, vì vậy chúng có rất nhiêu tiêm nang dé ứng dụng

trong lĩnh vực điện tử Tuy nhiên việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb

như nhiệt độ chế tao, bề day màng mỏng vẫn chưa được nghiên cứu và thực hiện Vì

vậy với mong muốn được tìm hiểu nghiên cứu sâu hơn về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều

kiện dé cải thiện tính chất từ của màng mỏng (In,Fe)Sb, tôi mong muôn thực hiện dé tài

“Khảo sát sự phụ thuộc vào nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ

Indium Iron Antimonide (In,Fe)Sb°

2 Mục dich nghiên cứu

Khảo sát sự thay đôi tính chất từ của màng mỏng bán dẫn từ (In,Fe)Sb theo nhiệt độ chế tạo từ đó tìm ra nhiệt độ tốt nhất để chế tạo màng móng (In,Fe)Sb.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiều về vật liệu bán dan từ (In,Fe)Sb

- Tìm hiểu về phương pháp chế tạo màng mỏng (phương pháp epitaxy chùm phân tử)

va các phương pháp phân tích tính chat của màng mỏng

- Tiến hành xử lý các số liệu đo đạc thực nghiệm của nhóm nghiên cứu ở trường đại họcTokyo và phân tích các kết quá từ số liệu thu được

- So sánh, đánh giá kết qua và đưa ra kết luận về nhiệt độ tối ưu dé chế tao màng.

4 Những đóng góp của đề tài

Thông qua quá trình xử lý và đánh giá số liệu được đo đạc thực nghiệm, đề tài đã

đưa ra được nhiệt độ tối ưu tốt nhất đề chế tạo vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb bằng phươngpháp epitaxy chùm phân tử ngoài ra kết quả nghiên cứu cũng cho biết quy luật ảnhhưởng của nhiệt độ chế tạo lên tính chất của màng móng (In,Fe)Sb, từ đó chọn được

nhiệt độ chế tạo thích hợp cho từng mục đích sử dụng khác nhau.

CHUONG 1 TONG QUAN VE VAT LIEU BAN DAN TỪ

1.1 Điện tử hoc spin (spintronics)

Nhờ những phat minh ra các thiết bị điện tử như transitor, mạch tích hợp (ICs) và

laser các nhà khoa học đã tạo nên cuộc cách mạng của công nghệ thông tin và cải thiện

chất lượng của cuộc sống con người Đề phục vụ nhu cầu ngày cảng tăng của con

người, các thiết bị điện tử đã được phát triên liên tục, cứ sau 18 tháng số lượng

transistor trên một đơn vị điện tích cho mỗi bộ vi xử lý được tăng gấp đôi, đó là nội

dung của định luật Moore như thê hiện trên hình 1.1 Dieu nay dan đến sự cải thiện về

tốc độ và năng lực của máy tính cũng như làm giảm chi phí của máy tính Tuy nhiên,quy luật này được dự đoán sẽ kết thúc sớm do những hạn chế vật lí của các thiết bị điện

tử sử dung Silicon (silicon-based) Xảy ra ở quy mô nano.

1.000.000.000

MOORE'S

Pentium 4 Prescott (2004 - 125 000.000), 100.000.000 LAW Pentium 4 (2000 - 42 000.000)

Hình 1.1 Định luật Moore cho thay dự đoán tốc độ tang số lượng transistor trên

một đơn vị điện tích theo thời gian (Ngudn Intel.com)

Dé khắc phục những hạn chế này, rất nhiều phương pháp tiếp cận đã được dé xuấtnhư thay thé Silic bằng các vật liệu mới hoặc đề xuất các thiết bị có các nguyên lý làm

việc mới Trong số nhiều phương pháp tiếp cận có một lĩnh vực mới nỗi gọi là

"spintronics", đây được xem là một giải pháp day hứa hẹn cho các thiết bị điện tử trong

tương lai.

Các thiết bị spintronics không chỉ sử dụng "điện tích" của electron, mà còn khai

thác một đặc tinh nội tại của các electron được gọi là "spin", như trong hình 1.2 Trong

các thiết bị spintronics, bit “0” và ”I” của dữ liệu kỹ thuật số nhị phân có thê được thẻhiện bằng trạng thái spin up (T) va spin down (1) thay vì "có” hoặc "không có” các điệntích Bởi vì spin không thay đôi hay mat đi khi ngưng cung cap năng lượng cho nên các

thiết bị spintronics dự kiến sẽ có nhiều ưu điểm như tiêu thụ điện nang thấp không cần cung cấp điện xuyên suốt, tốc độ cao, Š Ngoài ra, vì spin có thé dé dang điều chỉnh bởi

từ trường bên ngoài nên vật liệu spintronics có thê cung cấp các chức nang mới chưa

từng có trong vật liệu Silicon thông thường.

af”

Tinh chat dién Tinh chat tir

(điện tích của electron) (spin của electron)

- Khuếch đại tín hiệu - Ghi tín hiệu từ

- Mach logic - Không cần duy tri

nguồn điện để ghi nhớ

trở chui ham (Tunnel magnetoresistance effect - TMR) Trong các thiết bị hoạt động

dựa trên các hiệu ứng từ điện trở không 16 và hiệu ứng từ điện trở chui ham, điện trở cóthé điều chỉnh bằng cách kiêm soát từ trường của các lớp kim loại sắt từ Hình 1.3(a)

mô ta hiệu ứng GMR ở hai bản kim loại sắt từ ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại

không có từ tính Khi từ trường trong hai bản kim loại từ tính song song nhau điện trở

của hệ nhỏ, ngược lại khi từ trường ở hai bản ngược chiêu điện trở của hệ trở nên rất lớn Hiện tượng này được phát hiện vào cuối những năm 1980 bởi nhóm của A, Fert và

P Grunberg (được trao giải Nobel năm 2007)', và được giải thích dựa vào sự tán xạ phụ

thuộc spin (spin-dependent scattering) của electron tại mặt tiếp xúc các lớp”:Š Ngoài ra

sự tấn xạ phụ thuộc spin của electron cũng xảy ra trong các tiếp xúc từ chui ham

(magnetic tunnel junction (MTJ)) là các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ ngăn cách

bởi các lớp điện môi được mô tả trong hình 1.3(h) hiện tượng này được khám phá vào

năm 1995 bởi Miyazaki và Mooder và được đặt tên là hiệu ứng từ điện trở chui ham? "

Khi từ trường trong hai bản kim loại từ tính song song nhau điện trở của hệ nhỏ, ngược

lại khi từ trường ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rất lớn

(a) (b)

HIỆU UNG TỪ ĐIỆN TRO KHÔNG LO HIỆU UNG TỪ ĐIỆN TRO CHUI HAM

Giant magnetoresistance effect (GMR) Tunnel magnetoresistance effect (TMR)

Kim logi Kim loại Kim loại +

sắttừ ï¬ không tir tinh sắt từ “`, Chit cách điện

\ = a

$ Trạng thái song song $ Trạng thái song song

(Parallel state) Re: Nho

Re: Nho

Trang thái ngược chiều Trạng thái ngược chiều

$ (Anti-Parallel state) * Ru: Lứn

Ris: Lon

Hình 1.3 (a) Hiệu ứng từ điện trở không lò (b) Hiệu ứng từ điện trở chui ham

Những thiết bị spintronic dựa trên hiệu ứng từ điện trở không lồ hay hiệu ứng từ

điện trở chui ham có nhiều ưu điểm như không cần duy trì nguồn điện, tiêu thụ điện

năng thấp, tuy nhiên do chúng có thành phan là các kim loại sắt từ nên một số tính chất như nòng độ hạt mang điện không thé thay đôi Do đó thé hệ các thiệt bị spintronic này

chỉ được str dụng trong các thiết bị thụ động như MRAM (Magnetoresistive Random

Access Memory - bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên từ điện trở) và cảm biến dựa trên GMR

(hay TMR) cho đầu đọc của đĩa cứng

MRAM có cau trúc là một lớp tiếp xúc chui ham từ tính có hiệu ứng từ điện trở

chui hầm Trong MRAM, thông tin được lưu trữ bởi độ từ hóa của lớp màng mỏng từ.

10

Các bit thông tin được đảo khi độ từ hóa của lớp màng mỏng được đảo chiều Thông tinđược đọc thông qua sự thay đôi điện trở của lớp tiếp xúc từ Khi độ từ hóa của các lớp

màng mỏng từ ở trạng thái đối song song, điện trở của tiếp xúc từ lớn, tương ứng với bit

(1) còn khi hệ ở trạng thái song song thì điện trở giảm mạnh, và tương ứng với bít (0).Trong những thé hệ ban đầu của MRAM, người ta sử dụng cau trúc màng mỏng từ đa

lớp với hiệu ứng từ điện trở không lồ, nhưng cấu trúc kiêu này gây khó khăn cho sự phát triển do các lớp déu là kim loại, điện trở của linh kiện trở nên rất nhỏ và tạo ra tín hiệu

yếu Sau sự phát triển của hiệu ứng từ điện trở chui him (đặc biệt là hiệu ứng trong cáclớp tiếp xúc sử dung MgO với tỉ số từ điện trở tới hàng trăm phan trăm ở nhiệt độ phòng)

các tiếp xúc từ chui ham với điện trở lớn (và sự thay đôi điện trở rất lớn) đã thay thể cấu

trúc GMR truyền thông và tạo sự phát trién nhanh chóng của MRAM

Ở the hệ MRAM đầu tiên, trang thái của các lớp từ tính được đảo bằng cách sử

dụng một từ trường ngoài Cấu trúc kiều này yêu cầu có một bộ phận tao từ trường và

đo đó tạo ra kích thước ô nhớ rất lớn, tiêu tốn khá nhiều năng lượng cho bộ phận đảo từ

Thế hệ mới nhất của MRAM là Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) được đảo

từ bang dòng phân cực spin (spin polarized current) Hoạt động của STT-MRAM dựa

trên hiệu ứng truyền momen spin (spin transfer torque) là hiệu ứng truyền moment động lượng spin của điện tử cho một momen từ và kết quả là moment từ bị quay đi theo chiều

của moment động lượng spin đó Khi dòng phân cực spin chạy qua lớp từ tính thìmoment từ của lớp này bị quay theo chiều của ddng phân cực spin Cơ cấu kiều này cho

phép loại bỏ hoàn toàn các bộ phận phụ, giảm kích thước ô nhớ đồng thời tăng tốc độ

và giám lỗi địa chỉ."

Hình 1.4 Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM (a) MRAM đảo bằng từ trường

(b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin (Nguồn: Wikipedia.com)

Thế hệ tiếp theo của các thiết bi spintronic cần có thêm những chức năng hap dẫn

hon, vì vậy spin của electron cần được khai thác vào ứng dung vào chat bán dan Do đó

chất bán dẫn tir (ferromagnetic semiconductors) đã được nghiên cứu rộng rãi trong hai

thập kỷ qua.

1.2 Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductors - FMSs)

1.2.1 Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ.

Chat bán dẫn từ là loại vật liệu bán dẫn được pha trộn một tỉ lệ kim loạt chuyên tiếp

nhất định (các nguyên tố có mang điện tử trong quỳ đạo lớp đ như sắt (Fe), mangan

(Mn), coban (Co), crom (Cr) ) giúp bán dẫn đó thé hiện cả tính chất từ và tính chất của

bán dẫn Cho đến nay, vật liệu bán dẫn là nguyên liệu cho hau hết các thiết bị của nên

công nghiệp điện tử như diode, LED, va đặc biệt là transitor, linh kiện cơ bản cau thành

nên bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit - CPU) của máy tính Trong khi đó, vậtliệu sắt từ với khả năng duy trì trạng thái từ hóa một cách bền vững và không tiêu tôn

năng lượng là nguyên liệu chính trong các thiết bị lưu trữ thông tin như 6 cứng ngoài.

Vì mang các tính chất hoàn toàn khác nhau, các vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ cũng

như các thiết bị điện tir sử dụng chúng tồn tại một cách riêng biệt và giữ vai trò khác

nhau trong máy tính: Bộ phận xử lý thông tin và bộ phận lưu trữ thông tin Việc kết hợp

các đặc tính của vật liệu bán dẫn và vật liệu sắt từ trên cùng một thiết bị là vẫn dé mớiđược đặt ra trong vòng ba thập kỷ gần đây, khi nhu cầu cắt giảm năng lượng hao phí và

12

tăng toc độ hoạt động của hệ thống thông tin trở nên cap thiết Nếu các thiết bị điện tử

như transistor có khả năng “nhớ" được trạng thái của mình mà không cần cung cấp nang

lượng một cách liên tục, bién giới và độ trễ giữa việc lưu trữ thông tin và xử lý thông

tin sẽ được cải thiện đáng kê, dẫn đến một thé hệ máy tính mới hoạt động đặc biệt nhanhhơn và tiết kiệm năng lượng hơn Chất bán dẫn từ chính là chìa khóa dé mở ra cánh cửatương lai đó.

Trong vật liệu bán dẫn từ một số nguyên tử trong tinh thé bán dẫn được thay thé

bằng các nguyên tử kim loại chuyền tiếp có từ tính như Mn, Cr, Fe, Nguyên tử có từtính cung cap các moment từ do đó làm tăng trật tự sắt từ trong khi vẫn duy trì tính chất

của bán dẫn Kết quả là bán dẫn từ thê hiện ca tính chat của bán dẫn và của kim loại sắt

từ, có thể sử dụng cho các thiết bị điện tử không can duy trì nguồn điện và tiêu thụ điệnnăng thấp Hình 1.5 minh họa sự tạo thành các vật liệu bán dẫn từ.!' Ban đầu khi chưa

pha tạp các kim loại thì bán dan không có từ tính Sau khi một số nguyên tử trong tinh thê bán dẫn được thay thé bởi các nguyên tử có từ tính thì các moment từ của các nguyên

tử này có thẻ sắp xếp ngẫu nhiên nên vật liệu có tính thuận từ, nhưng khi có sự hỗ trợcủa các hat tải điện như electron hay lỗ trong thông qua tương tác trao đôi (exchange

interaction) thì các moment từ này sắp xếp có trật từ va hình thành nên trang thái sắt từ.

Non-magnetic Paramagnetic Ferromagnetic

semiconductor DMS DMS

crystal (random spins) (ordered spins)

©0060 ©8000

®@@®@@@@ Add dopants @Ø@@@Q Addholes

Hình 1.5 Minh hoa sự tạo thành vat liệu bán dan từ.!!

Trong số các loại bán dẫn từ thì bán dẫn từ nhóm II-VI pha tạp Mn như(Cd,Mn)Te và (2n,Mn)Te đã được nghiên cứu từ đầu những năm 1980.!° Trong các vật

liệu loại II-VI đó, nguyên tử Mn có hóa trị II, do đó có thé pha tạp Mn với nồng độ cao

vào bán dan gốc Tuy nhiên rất khó để kiểm soát các tính chất truyền dan của các bán

dan từ loại II-VI do đó việc ứng dụng bán dẫn từ loại II-VI vào các thiết bị spintronic

vẫn là một thách thức.

13

Năm 1989, loại bán dẫn từ nhóm III-V pha tap Mn đầu tiên được phát triển thành

công trên bán dẫn GaAs bang phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE -

Molecular-beam epitaxy) bởi Munekata và các cộng sự Do độ hòa tan thấp của Mn trong bán dẫn

loại III-V nên cần hạ thấp nhiệt độ dé (< 300°C ) dé ngăn sự hình thành cum nano kim

loại (nanocluster) hoặc các pha hợp chất khác (second phases) trong bán dẫn Kỹ thuật

nảy được gọi là epitaxy chùm phân tử nhiệt độ thấp Sau đó, nhóm nghiên cứu của Ohno?

và Hayashi° đã hoạt động độc lập cùng phát trién một bán dẫn từ loại II-V pha tạp Mn

khác là (Ga,Mn)As Trong suốt hai thập kỉ qua, vật liệu (Ga,Mn)As là vật liệu bán dẫn

từ được quan tâm nhất vì nó có tính chất đặc biệt là từ tính gây ra bởi hạt mang điện lỗ

trong (hole-induced ferromagnetism), nghĩa là độ từ hóa có của vật liệu này có thể được

điều khiển được bang cách thay đôi nồng độ lỗ trồng thông qua việc ding điện trường

(electrical control ferromagnetism) hay chiều xạ ánh sáng (light irradiation) Ngoài ra,

bán dẫn III-V như GaAs, InAs, GaSb đã được sử dụng rộng rãi trong nên công nghiệp

điện tử, vì vậy việc tạo sử dụng vật liệu bán dẫn từ nhóm III-V có nhiêu lợi thé về mặt

kĩ thuật khi các đây chuyền, công nghệ sản xuất đã có sẵn.

1.2.2 Vật liệu bán dẫn từ pha tạp Mn và hạn chế của nó

Trong hai thập kỷ qua, hầu hết các nghiên cứu vẻ bán dẫn từ được tập trung vào

bán dẫn loại HI-V pha tap Mn, chăng hạn (In,Mn)As và (Ga,Mn)As, đây là những bán

dân loại P Nồi bật nhất là vật liệu bán dẫn từ (Ga,Mn)As được chế tạo đầu tiên bởi

Hideo Ohno và cộng sự vào năm 1996 Hình 1.6 cho thấy đường biêu diễn độ từ hóa

phụ thuộc cường độ từ trường H (đường cong từ hóa) và nhiệt độ Curie của màng mong

(Ga.Mn)As đầu tiên được chế tạo với nông độ pha tạp 3.5%Mn.? Đường cong từ hóa

này cho thay (Ga,Mn)As có từ tính rất mạnh và độ từ du lớn thuận tiện trong việc chế

tạo các linh kiện thực tế do đó vật liệu này nhanh chóng thu hút sự quan tâm nghiên cứu

của các nhà khoa học trên thé giới Hình nhỏ bên trong cho thé hiện độ từ dư theo nhiệt

độ của mẫu này Khi nhiệt độ tăng dần đến 60K thi độ từ dur hoàn toàn biến mat cho

thay nhiệt độ Curie của mẫu (Ga.Mn)As đầu tiên này khoảng 60K Hình 1.7 là quang

phố lưỡng sắc tròn (magnetic circular dishroism — MCD) của một số mang mong

(Ga.Mn)As với các nồng độ pha tạp 0.5% và 7.4%Mn được nghiên cứu ở công trình sau đó.! PhO MCD của các mẫu này vẫn thê biện các đỉnh phô tương ứng giống với phô

14

MCD của mẫu đối chiều GaAs không pha tạp Điều này cho thay (Ga,Mn)As vẫn giữ

được cau trúc tinh thê và cau trúc vùng năng lượng của bán dân gôc GaAs.

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của độ từ hóa M theo từ trường của màng mỏng (Ga,Mn)As có

nồng độ 3.59%Mn ở 5K Hình bên trong biếu diễn độ từ dư theo nhiệt độ của mẫu này.

Bên cạnh việc thé hiện có từ tính mạnh thì điều đặc biệt nhất thu hút rat nhiều

các nhà nghiên cứu ở các chất bán dẫn từ pha tap Mn như (In,Mn)As và (Ga,Mn)As là

nhiệt độ Curie 7c của chúng không chi phụ thuộc vào việc chế tạo mà còn phụ thuộc

vào nông độ pha tạp Mn x và nông độ lỗ trống p Vi vậy nhiều tính chat của vật liệu sắt

từ như nhiệt độ chuyên pha 7c hay độ từ hóa có thé được kiểm soát bằng cách thay đồinông độ pha tạp của Mn hay nông độ lỗ trống bằng cách dùng công điện tử hay chiếu

xạ ánh sáng Hình 1.8(a) mô tả kết quả thí nghiệm được thực hiện bởi Hideo Ohno và cộng sự,!Ÿ trong thí nghiệm đó từ tính của (In,Mn)As có thé thay đôi bằng dòng điện Trong hình 1.8(b) độ từ hóa M của (In.Mn)As ti lệ thuận với điện trở Hall Ruan, có the điều chỉnh bằng cách sử dung một công điện áp Với công điện áp âm, độ từ hóa được

tăng lên nhờ sự gia tăng mật độ 16 trỗng Ngược lai, độ từ hóa giám đi với công điện ápđương Đó là một khả năng độc đáo của bán dẫn từ mà các loại vật liệu sắt từ kim loạithông thường được sử dụng phô biến hiện nay như FeSi, NiFe, FePt không có được

Hình 1.8 Điều khién tinh chat từ bằng dòng điện trên (In,Mn)As.!Š Trong đó Ryu là

điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa M.

Mặc dù có rat nhiều ưu điểm, tuy nhiên bán dẫn từ nhóm III-V pha tap Mn vẫn còn

một số hạn chế chưa khắc phục được có thé tóm tắt như sau:

(1) Dé chế tạo các thiết bị điện tử bán dẫn như diode, transistor thì việc hội tụ đủ

cả hai loại bán dan N và P là điều kiện hết sức cần thiết Tuy nhiên thì tat cả các chất

bán dẫn từ pha tạp Mn hiện nay đều là bán dẫn từ loại P với hạt dẫn điện chính là lỗtrồng Nguyên nhân chính là do khi pha tạp vào các chat bán dan hệ HI-V thi nguyên Wr

Mn cung cấp đồng thời cả moment spin và lỗ trồng vi vậy vật liệu bán dẫn từ được chế

16

tạo dựa vào việc pha tạp Mn luôn chỉ có thé trở thành bán dẫn loại P Điều này là mộtthách thức khó khăn trong việc đưa các vật liệu bán dẫn từ này vào ứng dụng thực tế.

(2) Ngoài ra, nhiệt độ Curie 7c (nhiệt độ mà tại đó vật liệu không còn giữ được đặctính sắt từ) của các bán dan tử pha tạp Mn phô biến hiện nay đều thấp hơn nhiệt độphòng như trên hình 1.9 Cụ thẻ là nhiệt độ Curie cao nhất của các vật liệu từ nhóm III-

V pha Mn như (Ga,Mn)As, (In,Mn)As,'® (Ga,Mn)Sb”? và (In,Mn)Sb"* lần lượt là 200K (tức -73 độ C).*„ 110K, 30K, và 10K, tat cả nhiệt độ Curie của các vật liệu này déu thấp

hơn rất nhiều so với nhiệt độ phòng 300K Điều đó đồng nghĩa với việc các linh kiệnlàm từ các vật liệu này không thê hoạt động trong điều kiện binh thường ở nhiệt độ

phòng Chính vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra cả hai loại bán dẫn từ loại P và loại N

có nhiệt độ Curie ở nhiệt độ phòng dé ứng dụng vào thực tế là hết sức cần thiết và cấpbách.

b NRO G2 © ne | CE—

——-— tỷ = 100

Sư phạm thành phố Hè Chí Minh đã va đang nghiên cứu một lớp các chất bán dan từ

mới đó là bán dẫn từ pha tạp sắt (Fe) Nhằm tránh những hạn chế của các bán dẫn từ pha

tạp Mn, nhóm đã đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới Đó là thay vì dùng các chất bán

dan có bẻ rộng vùng cắm lớn như GaN hay GaAs thì nhóm đã sử dụng các bán dẫn có

bề rộng vùng cắm hẹp như InAs, GaSb và InSb làm bán dẫn gốc Đồng thời nhóm thaykim loại pha tạp Mn bằng một kim loại mới đó là sắt (Fe)

Khác với Mn khi pha tạp vào bán dẫn nhóm III-V thường có hóa trị II (Mn?*) do

đó khi thay thé vào vị trí nguyên tổ nhóm III sẽ tạo nên lỗ tréng dan đến luôn tạo nênbán dẫn loại P Ưu điểm của bán dẫn từ pha tạp sắt là khi pha tạp Fe vào các chất bán

dẫn nhóm HI-V như InAs, GaSb hay InSb thì các nguyên tử Fe có xu hướng biểu hiện

hóa trị II (Fe*) nên các nguyên tử Fe chỉ đóng vai trỏ tạo ra moment từ chứ không cung

cấp các hạt tải điện Nông độ hạt tải điện trong các chất này được tạo ra bằng cách đồng

pha tạp (co-doping) các nguyên tổ khác như Beryllium (Be) trong trường hợp của

(In,Fe)As hoặc do các sai hong mang nội tại (native defects) xảy ra do su pha tạp Fe như

trong trưởng hợp của (Ga,Fe)Sb hoặc (In,Fe)Sb Chính vì vậy có thé tạo ra bán dan từ loại N hoặc loại P một cách linh hoạt tùy vào cách pha tạp Thực tế là cả hai loại bán dẫn từ loại P và N đều đã được nhóm phát triên thành công bằng phương pháp epitaxy

chùm phân tử Bán dan từ (Ga.Fe)Sb thé hiện loại P.!?:?° còn các chất bán dẫn từ(In,Fe)As?! và (In,Fe)Sb* thì thé hiện loại N Hình 1.10 cho thay ảnh chụp cau trúc tinhthé của các mẫu bán dẫn từ pha tạp sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb băng kính

hiên vi điện tử truyền qua (Scanning Tranmission Electron Microscopy - STEM) Các ảnh STEM cho thấy các mẫu bán dẫn từ được chế tạo thành công bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử, trong đó cau trúc tinh thé rat rõ và đồng đều cho thay các nguyên

tử Fe thay thé rất tốt vào trong tinh thé bán dan mà không tạo ra bat kì các cum kim loại

sat nào.

18

Hình 1.10 Ảnh chụp cau trúc tinh thé bằng kính hiện vi điện từ truyền qua (STEM) của

các mẫu bán dẫn từ pha tap sắt như (In,Fe)As, (Ga,Fe)Sb và (In,Fe)Sb chế tạo bằngphương pháp epitaxy chùm phân tử.*?92!

Ngoài ra, một ưu điểm khác khi sử dụng nguyên tổ Fe đó là khi pha tạp Fe vào

bán dẫn nhóm III-V thì do các nguyên tử Fe có hóa trị II (Fe**) nên dé thay thé vào vị

trí các nguyên tử nhóm III (Ga hoặc In) trong mang tinh thẻ vì vậy một lượng lớn Fe

(nông độ lớn hơn 10%) có thé pha tạp vào trong chất bán dẫn nền Hình 1.11 (a) và (b)cho thấy phô MCD của các mẫu bán dẫn từ (Ga,Fe)Sb loại P với nông độ pha tạp 3.9 -

25%Fe ?? và (In,Fe)Sb loại N với nồng độ pha tạp 5 - 16%Fe † trong đó pho MCD củacác mẫu (Ga.Fe)Sb và (In,Fe)Sb vẫn có dạng phô tương tự như phô MCD của các chấtbán dẫn nên GaSb và InSb Diéu này cho thấy (Ga,Fe)Sb và (In.Fe)Sb vẫn giữ được cau

trúc vùng năng lượng của các chat bán dẫn nền và một lượng lớn Fe có thể pha tạp thành

công vào các chất bán dẫn GaSb và InSb.

19

ELE, + GaSb Ị awe=e

Photon Energy (eV) Photon Energy (eV)

Hình 1.11 Quang pho MCD của (a) các màng mỏng (Ga,Fe)Sb với nồng độpha tạp Fe từ 3.9 - 25% và (b) (In,Fe)Sb với nòng độ pha tạp Fe từ 5 - 16%

Việc có thê pha tạp nồng độ Fe với nông độ lớn mang lại lợi thế rất lớn cho vật

liệu bán dẫn từ pha tạp Fe, đó là có thé tạo nên các chat bán dan từ có nhiệt độ Te cao

do nhiệt độ 7c tỉ lệ thuận với nồng độ pha tạp Fe Thực tế cho thấy nhiệt độ Curie của(Gai ,Fe,)Sb với nồng độ pha tạp Fe 25% ( x= 25%) có nhiệt độ 7c lên đến 340 K, còn(Ini Fe,)Sb với với nông độ pha tạp Fe 16% có 7c lên đến 335K, đây là những giá trị7c lớn nhất của bán dẫn từ nhóm III-V được báo cáo cho đến nay

Hình 1.12 cho thấy nhiệt độ Curie cao nhất được cho tới nay của một số vật liệu bán dẫn từ nhóm HI-V pha tạp Fe gồm (Ga.Fe)As.?? (In.Fe)As.?! (Ga.Fe)Sb.? và

(In,Fe)Sbf Trong đó bai loại vật liệu bán dan từ (Ga,Fe)Sb loại P và (In,Fe)$b loại Ncho thấy nhiều tiêm năng có thê ứng dụng trong các linh kiện spintronics thực tế do có

nhiệt độ Curie cao trên nhiệt độ phòng Đặc biệt là vật liệu bán dẫn từ (In,Fe)Sb có nhiệt

độ Curie cao (335K) chỉ với nông độ pha tạp 16%Fe, do đó nhiệt độ Curie này có thể

tiếp tục tăng cao hơn nữa khi tiếp tục tăng thêm nông độ pha tạp Fe lên 20 hay 25%.

Ngoài ra độ từ hóa của của vật liệu này còn có thẻ điều khiển bang từ trường giống như

các loại bán dẫn từ tiêu biêu (Ga.Mn)As hay (In.Mn)As Trên hình 1.13 cho thấy độ từ

hóa M của (In,Fe)Sb tỉ lệ thuận với điện trở Hall Ruan cũng có thé điều chỉnh bằng cách

sử dụng một công điện áp.?? Với điện áp dương, độ từ hóa được tang lên nhờ sự gia tăng mật độ electron Ngược lại, độ từ hóa giảm đi với công điện áp âm Điều này cho thay

20

(In,Fe)Sb cũng có khả năng độc đáo của các chất bán dẫn từ tiêu biểu như (Ga,Mn)As

hay (In,.Mn)As Vì vậy vật liệu (In,Fe)Sb cho thấy rất nhiều triển vọng và hứa hẹn có

thê ứng dụng vào thực tế nêu được tiếp tục được nghiên cứu và phát trién.

Chính vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu và nâng cao nhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb

là hết sức cần thiết và cấp bách Tuy nhiên van dé được đặt ra hiện nay là dé có thé tăngnhiệt độ Curie của (In,Fe)Sb bang cách tăng thêm nông độ pha tạp Fe đòi hỏi các điềukiện chế tạo màng mỏng như nhiệt độ chế tạo, độ dày màng phải được tối ưu hóa đếnmức tốt nhất có thể, nhằm dam bảo các mẫu (In,Fe)Sb tạo ra có thé giữ được cấu trúctinh thé, cau trúc vùng năng lượng cũng như tính chất bán dẫn của bán dẫn nén ban đầu

Tuy nhiên thì việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo vật liệu (In,Fe)Sb này cho đến nay vân chưa được nghiên cứu và thực hiện Chính vì vậy với mong muốn được tìm hiểu

nghiên cứu sâu hơn về vật liệu (In,Fe)Sb và tìm điều kiện dé cải thiện tính chat từ của

màng mỏng (In,Fe)Sb, tác gid mong muốn thực hiện đề tài “Khao sát sự phụ thuộc vào

nhiệt độ chế tạo của tính chất từ của vật liệu bán dẫn từ Indium Iron Antimonide(In,Fe)Sb".

TDỊ20|

TDỊ21|

GaFeAs InFeAs GaFeSb InFeSb

Hình 1.12 Nhiệt độ Curie cao nhất được báo cáo cho tới nay của một số vật liệu bán

dẫn từ nhóm III-V pha tạp Fe gồm (Ga.Fe)As.?? (In,Fe)As.°! (Ga,Fe)Sb,?” và (In,Fe)Sb*

21

Hình 1.13 Điêu khién tinh chat từ của mang mong (In.Fe)Sb bang điện trường Trong

đó Rew là điện trở Hall phụ thuộc vào độ từ hóa 4ƒ Khi đặt vào công điện áp đương

(+5V) Rusu tăng lên cho thấy độ từ hóa M hay từ tính của màng (In.Fe)Sb tăng lên.

t2 t2

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHAN TÍCH MANG MONG (In,Fe)Sb

2.1 Phương pháp Epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy - MBE)

Epitaxy chùm phân tử là phương pháp phát triển màng mỏng với độ tính khiết

cao, MBE diễn ra trong chân không cao hoặc chân không cực cao (10”* đến 10°? Torr)

Hình 2.1 mô tả sơ đồ của một hệ thông epitaxy chùm phân tử Môi trường chân không

cực cao trong buông tăng trưởng (growth chamber) được duy trì bằng hệ thống bơm

chân không, ngoài ra thành kim loại của buồng được làm lạnh bằng cách sử dụng nitơ lỏng hoặc khí nitơ lạnh đến nhiệt độ gần 77K Các bé mặt lạnh có khả năng hút các tạp chất trong buông chân không vì vậy mức độ chân không trong buông sẽ có bậc lớn hơn

so với việc chi dùng bom.”

Trên hình 2.1 ta thay, các nguyên tô ở dạng siêu tinh khiết được dùng dé tạo

màng mỏng sẽ được nung nóng trong các các ông chứa nguyên liệu (gọi là Knudsen cell

hay K-cell) đến mức bay hơi từng phân từ và đi đến dé Các phân tử sau đó ngưng tụtrên dé và kết hợp với nhau như trên hình 2.2 Việc thay đổi nhiệt độ nung nóng của ống

chứa nguyên liệu cho phép kiểm soát tốc độ của các phân tử bay đến dé và việc thay đôi nhiệt độ của dé sẽ ảnh hưởng đền tốc độ hình thành liên kết tạo thành màng mỏng Các tam dé mà các tính thé được phát triển được gin trên một đĩa quay, có thé được làm

nóng đến vai trăm độ C trong quá trình hoạt động

Hình 2.1 Sơ đồ minh họa hệ thông epitaxy chùm phân tử.

23