Advanced Electronic Materials: 纳米级厚度铁磁半导体的剥离转移及其范德华异质结的构建

近年来,范德华层状材料家族逐渐发展扩大,呈现出广泛的新奇物理性质。二维磁性材料(CrI3,Cr2Ge2Te6和Fe3GeTe2等)为理解二维磁性以及低功耗自旋电子学器件的应用提供了一个理想的平台。范德华异质结构可以将二维磁性材料与其他二维材料的准粒子产生相互作用与应变工程、化学、光学和电学性质耦合起来,为实现一些量子现象以及新型功能器件提供了途径。尽管目前二维磁性的家族越来越庞大,但是大部分二维磁性材料都是不稳定的,因此许多基于二维磁性材料的功能器件的制备都需要首先在手套箱里用六方氮化硼或者石墨烯进行封装保护后才能进行后续实验,这阻碍了其进一步应用。(Ga,Mn)As作为一种典型的传统稀磁半导体,其最大优点在于具有良好的稳定性并且同时兼具了磁性和半导体特性。近二十年来,许多自旋电子学的概念性器件在(Ga,Mn)As得以实现,例如栅压可调的铁磁性器件、自旋发光二极管以及磁隧道结等。然而,(Ga,Mn)As主要是运用低温的分子束外延法(MBE)进行生长的,这限制了其与主流半导体的集成以及灵活应用。

北京大学叶堉研究员和戴伦教授研究团队和中科院半导体所赵建华课题组合作,发展了一种将10-20 nm薄的二维铁磁半导体(Ga,Mn)As从MBE生长基底上剥离转移下来的方法,并运用定向干法转移技术,制备了基于剥离后(Ga,Mn)As的范德华异质结器件。研究者首先通过选择性腐蚀牺牲层的方法将10-20 nm厚的(Ga,Mn)As从GaAs衬底上剥离下来,转移到二氧化硅基片上。运用球差校正透射电子显微镜技术证实了转移后的(Ga,Mn)As依然保持良好的单晶性,并且运用超导量子干涉仪(SQUID)证明剥离后的(Ga,Mn)As样品依然保持了原有的铁磁有序。随后该研究团队使用定向干法转移技术,制备了hBN/(Ga,Mn)As异质结顶栅场效应霍尔器件和p-(Ga,Mn)As/n-MoS2异质结二极管器件。反常霍尔效应以及栅压可调的磁阻效应在剥离后的(Ga,Mn)As中可以被观测到。同时,在p-(Ga,Mn)As/n-MoS2异质结的IV曲线中可以观测到清晰的二极管整流特性,表明(Ga,Mn)As和MoS2之间具有良好的接触。

研究者相信,具有良好环境稳定性的剥离之后的超薄(Ga,Mn)As可以作为二维磁性材料,在未来运用于二维磁性的研究以及相关器件的开发,例如运用于芯片上低功耗自旋电子器件的研发等。相关文章在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201900345)上。