GaN基稀磁半導體的理論與實驗研究.pdf

1、稀磁半導體(Dilute Magnetic Semiconductors，DMSs)作為一種優(yōu)良的自旋電子學的后備材料，迅速成為當今自旋電子學材料研究的熱點。它有著半導體的能帶結構，而且晶格常數(shù)也與基體半導體類似，不僅在制造器件時能夠很好的和現(xiàn)有的半導體技術兼容，而且兼有磁性材料的特性。
　　 但是DMSs的研究受到低的居里溫度和磁性摻雜元素固溶度等問題的困擾。2000年Dietl和他的合作者基于Zener模型從理論上預測GaN

2、基的稀磁半導體的居里溫度Tc可以達到室溫以上。這一理論預測引起了人們對GaN基稀磁半導體材料的關注。GaN基稀磁半導體可以利用擴散法、分子束外延(MBE)、金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)和離子注入等方法制備。由于利用擴散法將磁性金屬元素摻入GaN仍然受到固溶度的限制，并且需要較高的溫度和較長的時間，所以不具有實用價值。而對于MBE和MOCVD，如何解決摻雜磁性元素固溶度問題一直是一個難題。由于離子注入本身的技術特點和沒有固溶度的限

3、制等優(yōu)點，因此離子注入是制備DMSs的一種有效的手段。對利用離子注入制備GaN基DMSs，雖然也有過研究報道，但絕大多數(shù)也只是對樣品的磁特性進行了簡單的報道，而且基本都是根據(jù)理論預測對Mn摻雜P型GaN進行研究，而對Mn離子注入非故意摻雜GaN的研究非常少，尤其是結合材料微結構的變化特征對樣品的磁學特性進行分析仍然是一個有待深入研究的課題。
　　 在此背景下，本文利用基于密度泛函理論的第一性原理平面波贗勢方法對Mn摻雜GaN的電

4、子結構和光學性質(zhì)進行了計算分析，對Mn離子注入制備的GaN基稀磁半導體的微結構、光學、磁學及電學特性進行了系統(tǒng)的測試研究，獲得的主要成果如下：
　　 (1)首先采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波贗勢方法對Mn摻雜GaN的能帶結構、電子態(tài)密度和光學性質(zhì)進行了計算，分析了摻雜后相關性質(zhì)的改變。計算表明，Mn摻雜后由于Mn3d與N2p軌道雜化，產(chǎn)生自旋極化雜質(zhì)帶，材料表現(xiàn)為半金屬性，如果雜質(zhì)帶中的載流子有足夠的移動性，從GaMnN

5、可以產(chǎn)生高極化率的自旋極化載流子注入。此外，Mn離子的摻入在費米面附近提供了大量的載流子，改變了電子在帶間的躍遷，對GaN的介電函數(shù)產(chǎn)生影響。計算表明，Mn摻雜GaN后，由于Mn摻雜產(chǎn)生的雜質(zhì)帶中不同態(tài)之間的帶內(nèi)躍遷，光吸收譜中出現(xiàn)了新的吸收峰。計算結果還表明GaMnN的電子結構更適合于自旋極化電荷的傳輸，是一種合適的自旋注入源。
　　 (2)采用蒙特卡羅方法，借助Trim模擬軟件對不同能量下Mn離子注入GaN的平均射程、標準偏

6、差和濃度分布進行了統(tǒng)計計算，模擬得到了不同注入能量下Mn離子注入GaN中的濃度分布；設計了Mn離子注入制備的GaN基稀磁半導體的注入工藝參數(shù)(能量和注入劑量)及退火條件。
　　 (3)研究了Mn離子注入GaN的微結構和光學特性。首先對Mn離子注入非故意摻雜GaN的微結構和光學特性進行了研究。借助XRD測試，發(fā)現(xiàn)了與Mn替代Ga原子或Ga-Mn相及Mn-N化合物相關的特征。采用顯微Raman譜對離子注入前后和退火前后樣品微結構的變

7、化進行了研究，除了觀察到GaN的特征峰外，樣品中還出現(xiàn)了一些新的聲子模并且在特征峰Ehigh2峰兩側顯現(xiàn)出了雙肩效應。分析認為新出現(xiàn)的聲子模分別是與無序激活相關的拉曼散射(DARS)，Ga、N空位相關缺陷的振動模以及由Gax-Mny相關的局域振動(LVM)引起的。利用基于洛倫茲變換的分峰擬合方法和約化質(zhì)量模型，分析認為Ehigh2峰的左右肩分別由與MnxNy局域結構相關的局域振動(LVM)和(Ga,Mn)N中Mn離子的LVM引起的。利用

8、光致發(fā)光譜(PL譜)對樣品的光學特性進行了研究，測試顯示PL譜中出現(xiàn)了兩個與離子注入相關的位于2.53eV和2.92eV的新的發(fā)光峰，分析認為位于2.92eV處的發(fā)光帶是由導帶或淺施主能級向深受主能級的躍遷產(chǎn)生的復合輻射，而這一深受主能級可能是與VGa相關的復合體，該復合體的能級大約位于能隙中價帶頂以上0.4eV的位置。對于位于2.53eV的綠光發(fā)光峰，認為是由淺施主到深受主的輻射復合躍遷產(chǎn)生的。
　　 研究了Mn離子注入Mg摻

9、雜GaN樣品的微結構和光學特性。Raman譜的測試結果和非故意摻雜樣品的測試結果基本是一致的。PL譜測試結果顯示除了位于2.54eV和2.9eV的這兩個峰外，在1.69eV出現(xiàn)了另一個新的發(fā)光峰。結合Mg摻雜GaN的特點并通過對樣品PL譜中2.9eV峰和2.54eV峰的峰強比隨退火溫度變化的分析，認為位于2.9eV的發(fā)光峰是與MgGa-VN復合體(Dd)和Mg的淺受主形成的深施主-淺受主對之間躍遷相關的輻射復合，并據(jù)此分析認為位于1.6

10、9eV的發(fā)光峰可能是基于MgGa-VN復合體深施主能級(Dd)和VGa復合體相關的深受主能級(Ad)之間的輻射復合。
　　 (4)研究了離子注入導致的GaN表面損傷及不同退火溫度下?lián)p傷的修復。借助AFM對離子注入導致的GaN表面損傷及退火修復進行了分析，表明因為GaN表面在高溫下的熱分解，限制了通過采用更高的熱退火溫度對樣品進行有效的損傷修復。研究也表明采用熱靶注入是一種降低離子注入損傷的有效方法。
　　 通過對Rama

11、n譜中A1(LO)和Ehigh2峰的峰形及半峰寬隨退火溫度演進的研究，認為離子注入引起的晶格損傷的修復可以分為三個階段：當退火溫度不高于800℃時，離子注入樣品開始出現(xiàn)再結晶，由離子注入引起的晶格損傷開始得到修復，隨著退火溫度從800℃逐步升高到900℃，晶格損傷得到進一步的修復并且離子注入產(chǎn)生的缺陷也逐步減少。當退火溫度升高至900℃以上后，GaN外延層的表面開始分解。從晶格修復和鐵磁特性兩方面同時考慮，認為最佳的離子注入后樣品快速熱

12、退火處理的溫度應控制在800℃至900℃之間。
　　 (5)研究了Mn離子注入非故意摻雜GaN樣品的磁學特性和電學特性。對不同退火溫度下樣品的磁化特性和磁滯回線的測試表明，經(jīng)過800℃退火處理后的樣品獲得了最高的磁化強度，而且室溫下樣品依然表現(xiàn)出清晰的磁滯回線，表明材料具有室溫鐵磁特性。分析認為樣品的鐵磁特性主要來源于(Ga,Mn)N，而GaxMny相一方面由于Ga空位的形成，能夠引起參與調(diào)節(jié)鐵磁相互作用的空穴濃度的增加；另外G

13、axMny相也增強了樣品的鐵磁性。磁化強度隨溫度的變化曲線進一步驗證了本實驗制備的材料的居里溫度高于室溫，測試表明樣品磁化強度隨溫度的變化趨勢明顯分為兩部分。這一結果進一步驗證了前面做出的(Ga,Mn)N和GaxMny相對材料鐵磁性的貢獻的推理。
　　 樣品的C-V測試和霍爾測試表明離子注入引入的缺陷一方面對載流子的濃度產(chǎn)生了影響，另一方面也降低了載流子的遷移率。降低離子注入產(chǎn)生的缺陷，減小缺陷對稀磁半導體特性的影響是一項需要繼

14、續(xù)研究的問題。
　　 (6)研究了Mn離子注入Mg摻雜GaN樣品的磁學特性和電學特性。磁學特性測試結果表現(xiàn)出與Mn離子注入非故意摻雜GaN樣品相似的結果，樣品在800℃退火后獲得了最高的磁化強度并顯示樣品具有室溫鐵磁性。測試結果顯示樣品的磁化強度明顯高于Mn離子注入非故意摻雜GaN樣品。樣品的M-T曲線的變化趨勢雖然也分為兩部分，但和Mn離子注入非故意摻雜GaN樣品比較這兩部分曲線斜率的變化明顯變小。分析認為這主要是由于Mg摻雜