PLD（脉冲激光沉积法）制备ZnO基稀磁半导体薄膜及其性能研究

摘要

DMS(稀磁半导体)同时应用了电子电荷和自旋性质，因此可以直接与现有的半导体器件集成，可以用来制备各种超低能量消耗高密度的信息存储器、逻辑器和自旋偏振光发射器等集成了光、电、磁功能的新型器件。稀磁半导体是具有自旋极化的半导体，通常稀磁半导体的制备是采用少量3d过渡族元素掺入到半导体材料中使之产生铁磁性，而同时保持其半导体特性。Dietl等人采用平均场近似从理论上预言了几种可能达到室温的铁磁半导体材料，包括ZnO和GaN基化合物。正是在此预言的影响下，ZnO基稀磁半导体，也称为3d族元素掺杂ZnO基材料，成为近年来研究热点之一。 氧化锌(ZnO)是一种直接宽带隙化合物半导体材料，其室温禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，其激子能够在室温及以上温度下稳定存在，是制备半导体激光器(LDs)、发光二极管(LEDs)等半导体器件的理想材料。ZnO还具有热稳定性好，外延生长温度低，抗辐射能力强，来源丰富，成本低廉，无毒无污染等优点，并且由于ZnO晶体的极性生长特征，过渡组金属离子易于掺杂，可制备性能良好的稀磁半导体，近来年成为稀磁半导体主要研究材料。 本文在总结了ZnO基稀磁半导体材料及其器件研究现状的基础上在Si(100)、石英以及玻璃衬底上生长过渡金属离子等掺杂的ZnO薄膜。主要的研究工作如下： 1.单独掺杂Co元素的ZnO薄膜的制备与表征。采用PLD方法在Si衬底上生长Co掺杂的ZnO薄膜，通过改变温度、压力，摸索生长Co掺杂ZnO薄膜的较佳的生长条件，发现磁性对于温度比较敏感，但是也没有发现与生长温度相关的规律，并研究晶体质量对磁学性能的影响。 2.为了提高稀磁半导体材料的饱和磁化强度以及居里温度，采用Co、Mn共掺杂的办法，制备得到薄膜样品，并对其形貌结构、磁学性能等进行表征，探索Co、Mn共掺杂的机理，但是并没有提高其磁化强度，可能是因为Co的掺入量减少以及掺杂量增加导致反铁磁耦合增强的缘故。 3.为了研究载流子对磁学性能的影响，以便探究稀磁半导体材料磁性来源，分别在笑气气氛下以及Co、Ga共掺杂，制得不同导电类型的Co掺杂ZnO薄膜，并对薄膜的形貌结构、电学性能、磁学性能进行表征，探索稀磁半导体材料磁性的来源，相比之下，p型电学环境更加有利于室温稀磁的产生。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1课题意义

1.2研究内容

第二章文献综述

2.1 ZnO的基本性质

2.2稀磁半导体材料及其研究概况

2.2.1稀磁半导体材料的基本概念

2.2.2稀磁半导体的物理性质

2.2.3稀磁半导体的物理机制

2.2.4稀磁半导体材料的分类

2.3 ZnO基稀磁半导体材料的制备技术

2.3.1脉冲激光沉积法(PLD)

2.3.2溶胶凝胶法(sol-gel)

2.3.3溅射技术

2.3.4离子注入技术

2.3.5分子束外延法(MBE)

2.4稀磁半导体合成中存在的重要问题

第三章实验原理和实验过程

3.1脉冲激光沉积(PLD)概述

3.1.1 PLD的基本原理

3.1.2 PLD特点

3.1.3 PLD薄膜生长实验系统简介

3.2实验方法

3.3表征手段及原理

3.3.1 X射线衍射(XRD)

3.3.2场发射扫描电镜(FESEM)

3.3.3光致发光谱(PL)

3.3.4 X射线光电子能谱(XPS)

3.3.5 Hall测试

3.3.6紫外-可见光谱(UV-VIS)测试

3.3.7 SQUID测试

第四章Co掺杂ZnO薄膜的制备与表征

4.1薄膜制备

4.2衬底温度对薄膜性能的影响

4.2.1薄膜形貌、结构分析

4.2.2电学性能分析

4.2.3光学性能分析

4.2.4磁学性能分析

4.3压强对薄膜性能的影响

4.3.1薄膜形貌、结构分析

4.3.2电学性能分析

4.3.3光学性能分析

4.4 Co、Mn共掺杂对薄膜性能的影响

4.4.1薄膜形貌、结构分析

4.4.2磁学性能分析

4.5本章小结

第五章Co、Ga共掺杂及N20气氛下Co掺杂ZnO薄膜的制备与表征

5.1薄膜制备

5.2结果与分析

5.2.1薄膜形貌、结构分析

5.2.2电学性能分析

5.2.3磁学性能分析

5.3本章小结

第六章总结

参考文献

硕士期间发表的论文及专利成果

致谢