GaMnN稀磁半导体材料的制备与性能研究

摘要

稀磁半导体材料(DMS)因兼具磁性材料和半导体材料的双重特性,可同时利用电子的电荷性质及自旋性质而引起广泛注意.这类材料具有一系列不同于常规半导体的磁学、光学和电学特性,如大的g因子,巨磁阻,磁光效应等,这些效应不仅具有重要的基础理论研究价值,而且在新一代光电器件、传感器件、高速静态存储器件,以及量子计算和量子通信器件等方面具有广阔的应用前景.在选择最有前景的半导体电子自旋材料时,有两个主要的标准:首先,材料的铁磁性必须保持到较高的可操作的温度(如大于300 K),即Tc达到或高于室温;第二,如果已有现成的技术支持这种材料在别的领域中应用,将成为一个重要的优点.T. Dietl等人在2000年通过理论研究得到的不同P型半导体Tc的理论计算值,理论工作表明(Ga,Mn)N的Tc超过室温,是能实现室温或更高温度下铁磁性的优选材料.GaN基DMS主要应用于信息和能源领域.在信息领域,GaN基DMS能同时利用电子的电荷和自旋特性工作.使信息存储和信息处理同时进行,设备结构大大简化,功能大大增强.在能源领域,GaN基DMS主要应用于太阳能电池方面.在半导体中,如果掺杂浓度达到一定的程度,掺杂原子的能级会互相耦合,在半导体的导带和价带之间引进额外的能带——中间带,引入中间带后,通过“价带到中间带”及“中间带到导带”的电子跃迁,让能量小于带隙的原本不被吸收的光子,有机会被吸收,因此增加了光电流,大大提高了太阳能电池效率.
　　目前,稀磁半导体己经成为了国内外研究的热门课题,而 GaN作为宽带隙的半导体材料也受到了人们的关注,并且在理论和实验上都取得了一些成果.但仍存在一个难题——铁磁性的起源问题,一直还存在着争议,没有得到一致的结果.为了对这一问题进一步研究,本文在GaN基DMS材料方面做了一些研究工作,研究了影响铁磁性起源的三个因素:
　　(1)Mn离子价态对GaMnN稀磁半导体材料的磁性的影响.通过测定样品最佳退火温度在950℃-1050℃之间,并未发现其它杂质相.在950℃退火的样品中,Mn以Mn3+替代Ga的位置最多且铁磁性最强.未退火的样品中Mn2+居多且呈现顺磁性,所以Mn离子的价态影响样品的磁性。
　　(2)氮空位对GaMnN稀磁半导体材料的磁性的影响.样品在不同的氨气流量下退火,在200 sccm流量下结晶质量最好,100 sccm条件下结晶质量变差.通过拉曼谱分析,当样品在200 sccm氨气流量下退火时,其内部缺陷较少,到100 sccm时缺陷急剧增加.而磁性分析表明在流量为100 sccm下退火的样品磁性最强,其下依次为500 sccm和200 sccm,所以样品的磁性强弱的趋势与样品内部氮空位缺陷的多少成正相关.
　　(3)氧元素共掺杂对磁性和光学性质的影响.缺乏氨气保护的氛围下退火,样品易被氧化.在低的氨气流量下退火得到了氧元素共掺杂的GaMnN样品,当共掺入氧元素时,样品的铁磁性剧烈增加.

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 GaN半导体材料

1.2 稀磁半导体

1.3 磁性基础介绍

1.4 束缚磁极化子（BMP）理论

1.5 论文章节内容安排介绍

第二章 GaN基稀磁半导体制备方法和分析手段

2.1 GaN基稀磁半导体制备方法

2.2 GaN基稀磁半导体分析手段

第三章 Mn离子价态对GaMnN稀磁半导体材料磁性的影响

3.1制备薄膜样品

3.2实验结果及其分析

3.3本章结论

第四章 氮空位对GaMnN稀磁半导体材料磁性的影响

4.1制备薄膜样品

4.2 实验结果及其分析

4.3 本章结论

第五章 氧元素共掺杂对GaMnN稀磁半导体材料磁性的影响

5.1制备薄膜样品

5.2 实验结果及其分析

5.3本章结论

第六章 结论

6.1 本论文的主要研究成果

6.2 对今后研究的建议

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢