GaMnN稀磁半導體材料的制備與性能研究.pdf

1、稀磁半導體材料(DMS)因兼具磁性材料和半導體材料的雙重特性,可同時利用電子的電荷性質(zhì)及自旋性質(zhì)而引起廣泛注意.這類材料具有一系列不同于常規(guī)半導體的磁學、光學和電學特性,如大的g因子,巨磁阻,磁光效應等,這些效應不僅具有重要的基礎理論研究價值,而且在新一代光電器件、傳感器件、高速靜態(tài)存儲器件,以及量子計算和量子通信器件等方面具有廣闊的應用前景.在選擇最有前景的半導體電子自旋材料時,有兩個主要的標準: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達到或高于室溫;第二,如果已有現(xiàn)成的技術支持這種材料在別的領域中應用,將成為一個重要的優(yōu)點.T. Dietl等人在2000年通過理論研究得到的不同P型半導體Tc的理論計算值,理論工作表明(Ga,Mn)N的Tc超過室溫,是能實現(xiàn)室溫或更高溫度下鐵磁性的優(yōu)選材料.GaN基DMS主要應用于信息和能源領域.在信息領域,GaN基DMS能同時利用電子的電荷和自旋特性工作.使信息存儲和信息處理同時進行,設備結構大大

3、簡化,功能大大增強.在能源領域,GaN基DMS主要應用于太陽能電池方面.在半導體中,如果摻雜濃度達到一定的程度,摻雜原子的能級會互相耦合,在半導體的導帶和價帶之間引進額外的能帶——中間帶,引入中間帶后,通過“價帶到中間帶”及“中間帶到導帶”的電子躍遷,讓能量小于帶隙的原本不被吸收的光子,有機會被吸收,因此增加了光電流,大大提高了太陽能電池效率.
　　目前,稀磁半導體己經(jīng)成為了國內(nèi)外研究的熱門課題,而 GaN作為寬帶隙的半導體材料也

4、受到了人們的關注,并且在理論和實驗上都取得了一些成果.但仍存在一個難題——鐵磁性的起源問題,一直還存在著爭議,沒有得到一致的結果.為了對這一問題進一步研究,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因素:
　　(1)Mn離子價態(tài)對GaMnN稀磁半導體材料的磁性的影響.通過測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.未退火的樣品中Mn2+居多且呈現(xiàn)順磁性,所以Mn離子的價態(tài)影響樣品的磁性。
　　(2)氮空位對GaMnN稀磁半導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流量下結晶質(zhì)量最好,100 sccm條件下結晶質(zhì)量變差.通過拉曼譜分析,當樣品在200 sccm氨氣流量下退火時,其內(nèi)部缺陷較少,到100 sccm時缺陷急劇增加.而磁性分析表明在流量為100 sccm下退火的樣品磁性最強,其下依次為500 sccm