gamnn稀磁半导体材料的制备与性能分析-preparation and properties analysis of gamnn diluted magnetic semiconductor materials.docx

目录中文摘要IAbstractⅢ第一章绪论11.3 磁性基础介绍71.3.1 磁无序71.3.2 磁有序91.4 束缚磁极化子(BMP)理论111.5论文章节内容安排介绍 11第二章GaN基稀磁半导体制备方法和分析手段132.1 GaN基稀磁半导体制备方法132.1.1 卤化物气相外延(HVPE)132.1.2 金属有机化学气相沉积(MOCVD)132.1.3 分子束外延(MBE)132.1.4 离子注入132.1.5 本文的实验设备142.1.6 本文实验的操作步骤152.2 GaN基稀磁半导体分析手段162.2.1 X-射线衍射(XRD)162.2.2扫描电子显微镜(SEM)和附带的能量散射X射线谱(EDX)162.2.3 X射线光电子谱(XPS)172.2.3 光致发光谱(PL)172.2.4 拉曼谱(Raman)182.2.5 紫外可见透射谱(UV)182.2.6 磁性测量19第三章Mn离子价态对GaMnN 稀磁半导体材料磁性的影响213.1 制备薄膜样品213.2 实验结果及其分析213.3 本章结论32 第四章氮空位对GaMnN稀磁半导体材料磁性的影响33 4.1 制备薄膜样品334.2 实验结果及其分析334.3 本章结论39第五章氧元素共掺杂对GaMnN 稀磁半导体材料磁性的影响415.1 制备薄膜样品415.2 实验结果及其分析415.3 本章结论45第六章结论476.1 本论文的主要研究成果476.2 对今后研究的建议47参考文献49攻读硕士学位期间完成的论文533致谢555GaMnN 稀磁半导体材料的制备与性能研究中文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300K)，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200sccm流量下结晶质量最好，100sccm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。我们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。关键词：稀磁半导体；GaMnN；氮空位；GaMnN: O；高温退火；LMBE分类号：O484.1ThepreparationandstudyofGaMnNdilutem