znomn稀磁半导体及p型znon薄膜的制备 结构和物性分析

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1、摘要氧化锌（ZnO),—种新型II一VI族半导体材料，具有禁带宽、激子束缚能高和近紫外光发射强等优点，在半导体器件等方面有着广泛的应用前景。为了实现ZnO的实际应用，必须通过掺杂技术来调控ZnO的物理性质。本论文通过掺杂过渡金属元素Mn来制备稀磁半导体和通过掺杂N来制备P型ZnO。稀磁半导体能够实现电荷和自旋的同时操纵，在自旋电子学领域有广阔的应用前景，近年来受到越来越多的关注。在这类研究中，由于Mn掺杂ZnO稀磁半导体可以注入数量很大的自旋载流子，因此一直是稀磁半导体领域的研究热点。迄今为止，尽管有许多关于Mn掺杂ZnO室温铁磁性的报道，但铁磁性是来源于

2、Mn的替位效应还是Mn在ZnO中的偏析物，一直存在较大争议，究其原因是常规分析手段（如普通XRD)很难探测到ZnO稀磁半导体中低浓度磁性离子Mn的详细结构信息。本论文采用高灵敏度的同步辐射X射线衍射(SR-XRD)和X射线吸收精细结构谱（XAFS)技术，并结合质子激发X射线荧光（PIXE)和超导量子干涉仪（SQUID)等方法，得到一些有价值的结果：1、用射频反应磁控溅射方法在蓝宝石衬底上制备了一系列不同生长条件的Mn掺杂ZnO薄膜，SQUID测试表明这些样品均具有室温铁磁性。2、PIXE和SR-XRD结果表明样品中没有Fe、Co、Ni等其它铁磁性杂质和Mn

3、团簇或MnO、Mn02、Mn203、Mn304等二次相，ZnO:Mn薄膜具有纤锌矿ZnO结构。3、EXAFS结果表明Mn原子是通过替代Zn原子而进入了ZnO晶格。根据微观结构分析，铁磁性应是来源于Mn的替位效应。由于本征缺陷导致的自补偿效应，使得ZnO的p型掺杂异常困难，而ZnO器件（如同质PN结）强烈依赖于高质量p型ZnO的制备。理论计算表明N在ZnO中是一种较好的受主元素，可以实现ZnO的p型掺杂。N在ZnO中的溶解度很低，传统方法很难有效地实现N元素的P型掺杂。本论文利用热氧化Zn3N2的方法实现N在ZnO中的高浓度P型掺杂，并利用卢瑟福背散射(RB

4、S)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱（XPS)和霍尔测试(Hall)得到一些有意义的结果：1、用射频反应磁控溅射方法制备了Zn3N2薄膜，然后在不同温度下、氧气气氛中退火。RBS和XRD研究了不同热氧化温度下薄膜的结构变化，结果表明退火温度高于300°C时,发生了Zn3N2到ZnO的相变，温度为700°C时薄膜和衬底界面间发生了反应。2、XPS研究了不同热氧化温度下薄膜中N的含量和价态的变化，结果表明1退火温度越高，N含量越少；N在氧化后的样品中是处于替代0的位置而存在的。3、Hall测试表明热氧化温度为400°C、500°C和600°C时，导电性

5、实现了从n型到p型的翻转，掺入的N在ZnO中成为有效的受主。关键词：ZnO:Mn稀磁半导体，p型ZnO:N，射频磁控溅射，同步福射技术中图分类号：0472+.5，0722+.82AbstractZincoxide(ZnO)isanewkindofII-VIsemiconductormaterialswithadvantageofwidebandgap,highexcitonbindingenergyandstrongemissionofnearultravioletarea,thusitiswidelyappliedforsemiconductordevi

6、ces.DopingtechniqueisusedtoadjustthephysicalpropertiesofZnOforitspracticalapplication.Inthisthesis,dilutedmagneticsemiconductorsdopedwithtransitionmetalelementsMnandP-typeZnOdopedwithNareprepared.Dilutedmagneticsemiconductors,whichcanmanipulatethechargeandspinofelectronssimultaneo

7、usly,leadingtoawideapplicationinthefieldofspintronicsdevice,attractmoreandmoreresearchinterestinrecentyears.Inthesestudies,theMn-dopedZnOdilutedmagneticsemiconductorishighlightedforitsgreatcapabilityofbeinginjectedwithalargenumberofspincarriers.Sofar,althoughresearchesonMndopedZnO

8、atroomtemperatureferromagnetismar