中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-022）———基于第IV族半导体材料的高居里温度高载流子迁移率铁磁性半导体薄膜

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工作简介

         ——基于第IV族半导体材料的高居里温度高载流子迁移率铁磁性半导体薄膜

从昔日的“春江何处无月明”到现在的“江水春流去欲尽”，磁性半导体的研究可谓跌宕起伏。2005年，正值磁性半导体研究热潮期，国际顶级期刊Science提出了125个全世界最前沿的科学问题，是否可以制备出室温下的磁性半导体即为其中之一。事实上，理想的磁性半导体应同时兼具高居里温度铁磁性和高载流子迁移率等特性，这对于实际半导体自旋电子器件中自旋电流的产生和传输至关重要。近年来，研究者们对基于不同材料体系的磁性半导体进行了大量探索，已在提升磁性半导体的铁磁性居里温度方面取得了一系列重要进展，而今后续研究工作也进入了深水区。与此同时，由于磁性掺杂原子和其他缺陷引入的各类散射，目前磁性半导体的载流子迁移率仍然较低，而由于磁性材料固有的反常霍尔效应带来的测量困难，连磁性半导体中载流子迁移率的准确测试研究也不多见。因此，研制兼具高居里温度铁磁性和高载流子迁移率的磁性半导体是一项极具挑战性的工作。

为了实现这一目标，四川大学向钢教授团队与四川大学汪渊教授、兰州大学彭勇教授团队合作，提出并展示了一种新的方案，在与当前主流硅工艺兼容的第IV族半导体硅锗合金薄膜中，通过应力调制与磁性元素掺杂相结合的方法，获得了高居里温度（最高值280 K）铁磁性和高空穴迁移率（最大值1003 cm² V^-1 s^-1），如图所示。本工作采用射频磁控溅射法在锗基底上制备锰掺杂的硅锗合金薄膜，随后通过非平衡态快速热退火使薄膜结晶。实验证实，快速退火后的样品成为铁磁性半导体，其居里温度随着锰掺杂浓度的增加而升高，并在5％ 锰浓度下达到280 K。实验数据和理论分析表明，样品的铁磁性来自空穴介导过程，并通过硅锗晶体中的拉伸应变使其铁磁序得到有效增强。另一方面，为消除或减弱反常霍尔效应影响而进行的33 T强磁场下的霍尔效应测试表明，由于拉伸应变诱导的能带结构调制，特别是拉伸应变导致的价带顶的轻/重空穴分离，退火样品的空穴迁移率得到了极大提高，其最大值达到1003 cm² V^-1 s^-1，比其他磁性半导体高出了2个数量级。简言之，应力调制的锰掺杂硅锗合金半导体薄膜显示出高居里温度铁磁性和高空穴迁移率。因硅锗合金半导体中的硅锗两种元素可无限互溶从而易于调控比例以调控应力和能带结构，且硅锗合金半导体与当前的硅工艺技术可无缝衔接，此材料体系可望为半导体自旋电子学研究提供一个富有潜力的重要平台。

图1. 应力调制的锰掺杂硅锗合金薄膜的结构与表征。

相关研究成果于2020年7月15日以“High Curie Temperature Ferromagnetism and High Hole Mobility in Tensile Strained Mn-doped SiGe Thin Films”为题发表在Advanced Functional Materials上。硕士生王焕明为论文第一作者，向钢教授为唯一通讯作者，四川大学为唯一通讯单位，合作单位为兰州大学。此工作中的磁输运测试得到中科院合肥强磁场中心田明亮教授团队和中科院半导体所赵建华教授团队的支持与协助。

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主要作者简介

通讯作者向钢，四川大学物理学院教授，博士生导师。

1998年和2001年于兰州大学获得物理学学士和材料学硕士学位，2006年于美国宾夕法尼亚州立大学获物理学博士学位。2007-2010年分别于宾夕法尼亚州立大学材料研究所与俄亥俄州立大学磁电多功能研究中心任博士后研究员。曾赴哈佛大学和加州大学圣芭芭拉分校进行科学研究和学术交流活动。曾入选教育部新世纪优秀人才支持计划和四川省高层次人才计划，并获得多项奖项，包括四川省青年科技奖，四川大学首届青年科技人才奖，唐立新教学名师奖等。

研究兴趣主要集中于半导体自旋电子学，特别是磁性半导体的可控制备与多场调控。迄今在Nature, Physical Review Letters, Advanced Functional Materials, Advanced Electronic Materials, Physical Review B，Applied Physics Letters等期刊发表论文70余篇。已主持国家重点研发课题、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划等研究课题10余项。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202002513

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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