GaMnN稀磁半導(dǎo)體材料的制備與性能研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體材料(DMS)因兼具磁性材料和半導(dǎo)體材料的雙重特性,可同時(shí)利用電子的電荷性質(zhì)及自旋性質(zhì)而引起廣泛注意.這類(lèi)材料具有一系列不同于常規(guī)半導(dǎo)體的磁學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性,如大的g因子,巨磁阻,磁光效應(yīng)等,這些效應(yīng)不僅具有重要的基礎(chǔ)理論研究?jī)r(jià)值,而且在新一代光電器件、傳感器件、高速靜態(tài)存儲(chǔ)器件,以及量子計(jì)算和量子通信器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景.在選擇最有前景的半導(dǎo)體電子自旋材料時(shí),有兩個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn):首先,材料的鐵磁性必須保持到較高的可操

2、作的溫度(如大于300 K),即Tc達(dá)到或高于室溫;第二,如果已有現(xiàn)成的技術(shù)支持這種材料在別的領(lǐng)域中應(yīng)用,將成為一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn).T. Dietl等人在2000年通過(guò)理論研究得到的不同P型半導(dǎo)體Tc的理論計(jì)算值,理論工作表明(Ga,Mn)N的Tc超過(guò)室溫,是能實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下鐵磁性的優(yōu)選材料.GaN基DMS主要應(yīng)用于信息和能源領(lǐng)域.在信息領(lǐng)域,GaN基DMS能同時(shí)利用電子的電荷和自旋特性工作.使信息存儲(chǔ)和信息處理同時(shí)進(jìn)行,設(shè)備結(jié)構(gòu)大大

3、簡(jiǎn)化,功能大大增強(qiáng).在能源領(lǐng)域,GaN基DMS主要應(yīng)用于太陽(yáng)能電池方面.在半導(dǎo)體中,如果摻雜濃度達(dá)到一定的程度,摻雜原子的能級(jí)會(huì)互相耦合,在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間引進(jìn)額外的能帶——中間帶,引入中間帶后,通過(guò)“價(jià)帶到中間帶”及“中間帶到導(dǎo)帶”的電子躍遷,讓能量小于帶隙的原本不被吸收的光子,有機(jī)會(huì)被吸收,因此增加了光電流,大大提高了太陽(yáng)能電池效率.
　　目前,稀磁半導(dǎo)體己經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱門(mén)課題,而 GaN作為寬帶隙的半導(dǎo)體材料也

4、受到了人們的關(guān)注,并且在理論和實(shí)驗(yàn)上都取得了一些成果.但仍存在一個(gè)難題——鐵磁性的起源問(wèn)題,一直還存在著爭(zhēng)議,沒(méi)有得到一致的結(jié)果.為了對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)一步研究,本文在GaN基DMS材料方面做了一些研究工作,研究了影響鐵磁性起源的三個(gè)因素:
　　(1)Mn離子價(jià)態(tài)對(duì)GaMnN稀磁半導(dǎo)體材料的磁性的影響.通過(guò)測(cè)定樣品最佳退火溫度在950℃-1050℃之間,并未發(fā)現(xiàn)其它雜質(zhì)相.在950℃退火的樣品中,Mn以Mn3+替代Ga的位置最多且鐵磁性

5、最強(qiáng).未退火的樣品中Mn2+居多且呈現(xiàn)順磁性,所以Mn離子的價(jià)態(tài)影響樣品的磁性。
　　(2)氮空位對(duì)GaMnN稀磁半導(dǎo)體材料的磁性的影響.樣品在不同的氨氣流量下退火,在200 sccm流量下結(jié)晶質(zhì)量最好,100 sccm條件下結(jié)晶質(zhì)量變差.通過(guò)拉曼譜分析,當(dāng)樣品在200 sccm氨氣流量下退火時(shí),其內(nèi)部缺陷較少,到100 sccm時(shí)缺陷急劇增加.而磁性分析表明在流量為100 sccm下退火的樣品磁性最強(qiáng),其下依次為500 sccm