[发明专利]矢量强磁场下分子束外延及其原位表征装置

说明书

矢量强磁场下分子束外延及其原位表征装置，涉及分子束外延及其原位表征。提供超高真空强磁场下，样品生长平面与磁场夹角可调节的分子束外延生长，及以霍尔效应与磁阻测试为主的原位表征装置。该装置主要由结构紧致的倒T型超高真空生长与表征腔体和具有较小室温腔的强磁体构成。其中置于强磁体室温腔内的倒T型真空腔部分，包含紧致的外延生长样品台、可调节磁场与样品台夹角和原位表征装置；置于强磁体下方部分包含蒸发源、等离子体源等分子束源部件以及抽真空系统，利用超高真空中分子束流自由程长的特点，使多束源能移出强磁场腔体。有效克服了强磁场腔体积小与生长测试系统部件多的技术难题，实现强磁场下分子束外延生长及原位表征。

技术领域

本发明涉及分子束外延及其原位表征，尤其是涉及一种矢量强磁场下分子束外延及其原位表征装置。

背景技术

随着信息科学的飞速发展，人们对电子元器件的运行速度、数据存储密度以及功耗等参数提出了更高的要求。现有以集成电路或超大规模集成电路为代表的电子元器件，都仅对电子电荷这一自由度进行操控，而忽视了电子自旋这另一基本量子属性，导致其尺寸大小、集成度等均已基本达到理论所决定的物理极限。对电子自旋的量子调控，有利于数据快速处理、减少功耗、提高集成度等，已成为半导体物理学科的新兴重要分支。

对电子自旋的量子调控，其核心就是如何有效地控制自旋的朝向、自旋输运以及自旋检测。然而在自旋电子材料生长方面，仍然存在半导体异质结欧姆注入阻抗不匹配、界面散射显著，稀磁半导体居里温度低，隧道注入铁磁薄膜质量低、界面不陡峭、隧穿势垒高等难题(1.J.W.A.Robinson,J.D.S.Witt,M.G.Blamire,Science,329(2010),59；2.K.Sato,L.Bergqvist,J.Kudrnovsky,Rev.Mod.Phys.,82(2010),1633；3.G.Schmidt,D.Ferrand,L.W.Molenkamp,Phys.Rev.B,62(2000),R4790)，本质上都与材料实际生长过程中的质量控制、磁性能调控密切相关。而在自旋输运方面，目前观测到的自旋弛豫实践、相干长度均较短；对于自旋的检测，通常在样品制备室外进行，样品暴露于空气过程中表面所吸附的各种原子将对自旋特性产生影响。另一方面，由于自旋半导体异质结的磁性材料薄膜其长度、宽度与厚度尺寸差别较大，导致垂直于薄膜方向存在很强的退磁场，使得制备出来的材料磁矩基本与薄膜平面平行，且方向各异，不利于获得高极化率自旋电流。为了改变磁结构，通常在水平数千高斯磁场下退火。虽然这种方式取得了一定的成效，但由于材料的晶格结构主要取决于制备过程的原子排列，生长后引入磁场诱导难以从根本上改变材料的磁结构。因此，在强磁场环境下直接外延生长材料有利于形成较为一致的磁畴结构，从而获得高极化率的自旋电流。此外，通过调节强磁场与薄膜材料生长平面的夹角，或设计制备非对称异质薄膜结构，减小或抵消垂直方向退磁场的作用，有望制备具有垂直磁结构的磁性材料。磁性材料整齐排列的磁矩，在半导体异质表面产生很强的等效磁场，增强自旋电子的Larmor进动，抑制其去相位过程，使自旋弛豫时间变长。

然而，现有强磁体室温腔尺寸较小(通常内径小于10cm)，要同时实现磁性薄膜材料的精细生长(需多种蒸发源或和离子体源)与原位表征，需要在腔体中安装多个部件，系统功能多、结构复杂。因此，若能在室温腔体中实现超高真空，可极大增加分子的空间自由程(在10^-4Pa真空下，分子平均自由程即可达到几十米)，使得多生长束源能够移出强磁场腔体，实现薄膜材料的分子束外延生长；进而在原子尺度范围内精确地控制材料生长速率、组分以及结晶结构，解决目前制备高质量自旋半导体及陡峭界面存在的技术难题。同时，在超高真空强磁场中对样品进行原位输运表征，能够有效地避免了样品生长与表征过程中表面吸附的各种原子对自旋特性产生的影响，并且具有灵敏度高、分辨率好等优点，便于更直观、精确地研究自旋相关的物理机制。有利于更准确了解半导体电子自旋量子特性，发现新现象、掌握新规律、提出新调控方法。

发明内容

本发明的目的在于针对原有生长与表征设备在自旋电子材料生长以及表征方面存在的上述不足，提供一种矢量强磁场下分子束外延及其原位表征装置。