掺锰Mn砷化镓GaAs材料性质的研究

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1、河北工业大学硕士学位论文掺锰（Mn）砷化镓（GaAs）材料性质的研究姓名：刘芳芳申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨瑞霞2003.3.1塑苎三些盔兰竺兰兰笙丝苎一一——．掺锰(Mn)砷化镓(GaAs)材料性质的研究摘要在非磁半导体中掺入微量的磁性原子会改变半导体的某些性质，使其呈现出一定的磁性，从而形成稀磁半导体，也称作半磁半导体(DMS)。其中被掺入的磁性原子称作磁性杂质，非磁半导体称作基质。本论文所研究的DMS材料便是由磁性过渡族金属离子Mn+掺入III—V族半导体化合物GaAs中而形成

2、的一类新的半导体材料。由于这类材料中的基质半导体GaAs与磁性杂质原子Mn中电子之间的相互转移及相互作用而使得这类材料兼有半导体及磁性化合物的特点，并在结构、电性质及磁性质等方面表现出一些独特的性质，因而具有巨大的应用潜力。本论文利用不同掺杂方法进行了掺MnGaAs这种DMS材料样品的制备，首先利用离子注入法对砷化镓(GaAs)材料进行不同剂量的锰(Mn+)离子注入，其中包括加碳(c)的双离子注入，然后在不同温度下进行快速退火处理；此外还利用扩散法对GaAs晶片进行不同Mn扩散源(纯Mn、及M／1AS)的掺杂。

3、最后，对所制备的十几种样品分别进行了结构性质、电性质及磁性质的测量和研究。首先，利用光荧光谱技术(PL)对离子注入样品进行光能谱的测量和分析。发现Mn+离子、C离子的注入都会损伤样品的晶格结构，从而影响样品的发光特性，而退火处理对这些损伤有一定的修复作用，这可以从发光峰强度的变化及波长的蓝移来判定。其次，利用霍尔测试方法测量了每种离子注入样品的电性质(方块载流子浓度、方块电阻及载流子迁移率)，通过比较分析了解到Mn元素注入剂量、C元素的注入以及退火温度的不同，都会对样品的电性质产生影响。由实验结果可以知道在退火

4、温度为650～850℃范围内，样品的载流子迁移率随着退火温度的提高呈上升趋势，说明杂质元素的注入对样品造成晶格损伤，但退火对这些损伤具有修复作用：此外，随着退火温度的上升，样品的方块载流子浓度不断下降，加c样品的方块电阻不断上升，这都是因为随着退火温度的提高，掺入的Mn+离子不再提供载流予，而是形成了MnOa、Mr．As等磁性第二相。然后，通过x射线衍射测量了样品的衍射谱，通过比较不同样品衍射峰的形状，了解了不同退火温度及注入条件下样品的晶格结构情况。此外，还利用C．V测试观察了离子注入及扩散样品的载流子分布情

5、况。发现两种掺杂方法的载流子浓度大体上都是随着扩散深度的增加而下降，不同的是离子注入样品的载流子最高浓度处于离表面深度O．248151um处，而扩散样品的载流子最高浓度处于表面，并堡垒!竺12丝些堡!堂L翌型丝堕塑竺型——————————————一且还发现相对于纯Mn源扩散样品来说，MnAs源扩散样品的表面较为光滑，且表面载流子浓度高达1020／cm3数量级。最后，通过原子力显微镜(AFM)和磁力显微镜(MFM)观察了样品的表面形貌和磁特性，发现了退火样品中形成了磁性第二相MnGa或MnAs粒子，并且这些磁性粒

6、子的磁特性与注入条件和退火条件有关。关键词：砷化镓，半磁半导体，离子注入，扩散，退火温度，结构性质，电性质，磁性质型i!．三些盔兰堡丝些丝兰——————————————————一STUDYOFTHEPROPERTIESOFMn．DOPEDGaAsMATERIALABSTRACTIfWeincorporateasmallamountofmagneticatomsintononmagneticsemiconductor,thepropertiesofthenonmagneticsemiconductorwillch

7、angeandthenonmagneticsemiconductorwillexhibitmagnetism，consequentlydilutedmagneticsemiconductorwillform．WealsocallitSemimagneticSemiconductorfDMS)．11lemagneticatomsdopedarecalledmagneticimpuritiesandthenonmagneticsemiconductoriScaIledthebasedmam-ial．n坨materi

8、alstudiedinthispaperiSanovelkindofsemiconductormaterialwhichisfabricatedbyincorporatingmagnetictransitionmetalionMn+intoIII-VsemiconductorcompoundGaAs．Owingtotheexchangeandinteractionbetweenelec