稀土掺杂GaN基稀磁半导体材料的制备与性能研究

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1、分类号：O484.1密级：公开UDC：540编号：201431804046河北工业大学硕士学位论文稀土掺杂GaN基稀磁半导体材料的制备与性能研究论文作者：王硕学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：材料工程指导教师：刘彩池职称：教授资助基金项目：河北省高等学校高层次人才科学研究项目（GCC2014023）；中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室开放课题（KLSMS-1407）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringPREPARATIONAND

2、PROPERTIESOFRAREEARTHDOPEDGALLIUMNITRIDEBASEDDILUTEDMAGNETICSEMICONDUCTORMATERIALSbyWangShuoSupervisor:Prof.LiuCaichiMarch2017ThisworkwassupportedbytheProjectofHebeiProvenceHigherSchoolandHigh-levelTalentsScientificResearchProgram(GCC2014023)andOpenIssueofKeyLaboratoryofMaterialsScienceofChineseAc

3、ademyofScienceInstituteofSemiconductor(KLSMS-1407).摘要稀磁半导体同时具备电子的电荷属性和自旋属性，在芯片集成度和电路性能的提升上具有广阔的发展空间，还在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景。宽带隙半导体GaN由于其本身优越的半导体性能和理论上可实现的高居里温度受到了人们的广泛关注，并且已经在理论计算方面和实验方面都取得了一定的成果。然而，材料的制备参数没有达到最优，材料的磁性难以控制，铁磁性的起源仍然存在争议。本文在真空条件下，采用双能态离子注入法制备了在室温下具有铁磁性的GaN:D

4、y和GaN:Dy:C稀磁半导体薄膜，通过X射线衍射仪（XRD），拉曼光谱分析（Raman），综合物理测量系统（PPMS），霍尔测试（Hall）分析技术，对薄膜的性能进行了研究并初步探讨了磁性起源。（1）将Dy离子注入到GaN薄膜中，制备了GaN:Dy薄膜样品，研究了Dy离子注入剂量和退火温度对GaN:Dy薄膜样品性能的影响。结果表明，Dy离子的注入在GaN晶片中引入了缺陷，产生了Ga空位（VGa），退火在一定程度上修复了晶格损伤，改善了晶体质量。GaN:Dy薄膜样品的磁性受注入剂量和退火温度的共同影响。注入条件为150keV，2×1014cm-2；300keV，7×1014cm-2的样品，

5、经800℃快速热退火后铁磁性最好，饱和磁化强度（Ms）和平均每个Dy离子引入的磁矩（Ms/Dy）值分别为8.68emu/cm3和312μB/atom。VGa引入磁矩，且Dy离子的杂质势将周围的载流子束缚在附近形成的束缚磁极化子产生了磁场，铁磁性的起源与VGa和束缚磁极化子有关。（2）将Dy离子和C离子共同注入到GaN薄膜中，制备出了GaN:Dy:C薄膜样品，研究了Dy离子和C离子的共同掺杂对GaN:Dy:C薄膜样品性能的影响。结果表明，C离子的掺入对GaN:Dy:C薄膜样品的磁性有促进作用。样品的注入条件为Dy:150keV，5×1014cm-2；C:50keV，2×1014cm-2的样品

6、，经800℃快速热退火后M3s和Ms/Dy值分别为15.91emu/cm和1029μB/atom，相对于GaN:Dy薄膜样品明显增大。C离子和N离子之间发生了取代（CN），VGa也引入了磁矩，且邻近的VGa和CN由相互作用形成VGa-CN结构对室温铁磁性有促进作用，因此铁磁性与VGa，CN和束缚磁极化子有关。关键词：稀磁半导体GaN离子注入磁性IABSTRACTDilutedmagneticsemiconductorshaveboththechargeandspinpropertiesofelectrons,whichprovidesabroadspaceforimprovingthein

7、tegrationandcircuitperformanceofthechip.Dilutemagneticsemiconductorshaveabroadapplicationprospectinmagneticsensors,highdensitynonvolatilememory,opticalisolator,semiconductorlaserandspinquantumcomputerandotherfiel