GaN基稀磁半導(dǎo)體的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體(Dilute Magnetic Semiconductors，DMSs)作為一種優(yōu)良的自旋電子學(xué)的后備材料，迅速成為當(dāng)今自旋電子學(xué)材料研究的熱點(diǎn)。它有著半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，而且晶格常數(shù)也與基體半導(dǎo)體類似，不僅在制造器件時(shí)能夠很好的和現(xiàn)有的半導(dǎo)體技術(shù)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(wèn)題的困擾。2000年Dietl和他的合作者基于Zener模型從理論上預(yù)測(cè)GaN

2、基的稀磁半導(dǎo)體的居里溫度Tc可以達(dá)到室溫以上。這一理論預(yù)測(cè)引起了人們對(duì)GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的關(guān)注。GaN基稀磁半導(dǎo)體可以利用擴(kuò)散法、分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)和離子注入等方法制備。由于利用擴(kuò)散法將磁性金屬元素?fù)饺隚aN仍然受到固溶度的限制，并且需要較高的溫度和較長(zhǎng)的時(shí)間，所以不具有實(shí)用價(jià)值。而對(duì)于MBE和MOCVD，如何解決摻雜磁性元素固溶度問(wèn)題一直是一個(gè)難題。由于離子注入本身的技術(shù)特點(diǎn)和沒(méi)有固溶度的限

3、制等優(yōu)點(diǎn)，因此離子注入是制備DMSs的一種有效的手段。對(duì)利用離子注入制備GaN基DMSs，雖然也有過(guò)研究報(bào)道，但絕大多數(shù)也只是對(duì)樣品的磁特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的報(bào)道，而且基本都是根據(jù)理論預(yù)測(cè)對(duì)Mn摻雜P型GaN進(jìn)行研究，而對(duì)Mn離子注入非故意摻雜GaN的研究非常少，尤其是結(jié)合材料微結(jié)構(gòu)的變化特征對(duì)樣品的磁學(xué)特性進(jìn)行分析仍然是一個(gè)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(shì)方法對(duì)Mn摻雜GaN的電

4、子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)Mn離子注入制備的GaN基稀磁半導(dǎo)體的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)及電學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)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(shì)方法對(duì)Mn摻雜GaN的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算，分析了摻雜后相關(guān)性質(zhì)的改變。計(jì)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(dòng)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(fèi)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(duì)GaN的介電函數(shù)產(chǎn)生影響。計(jì)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(jì)算結(jié)果還表明GaMnN的電子結(jié)構(gòu)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(duì)不同能量下Mn離子注入GaN的平均射程、標(biāo)準(zhǔn)偏

6、差和濃度分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)了Mn離子注入制備的GaN基稀磁半導(dǎo)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(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。首先對(duì)Mn離子注入非故意摻雜GaN的微結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進(jìn)行了研究。借助XRD測(cè)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(guān)的特征。采用顯微Raman譜對(duì)離子注入前后和退火前后樣品微結(jié)構(gòu)的變

7、化進(jìn)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(cè)顯現(xiàn)出了雙肩效應(yīng)。分析認(rèn)為新出現(xiàn)的聲子模分別是與無(wú)序激活相關(guān)的拉曼散射(DARS)，Ga、N空位相關(guān)缺陷的振動(dòng)模以及由Gax-Mny相關(guān)的局域振動(dòng)(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(rèn)為Ehigh2峰的左右肩分別由與MnxNy局域結(jié)構(gòu)相關(guān)的局域振動(dòng)(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(duì)樣品的光學(xué)特性進(jìn)行了研究，測(cè)試顯示PL譜中出現(xiàn)了兩個(gè)與離子注入相關(guān)的位于2.53eV和2.92eV的新的發(fā)光峰，分析認(rèn)為位于2.92eV處的發(fā)光帶是由導(dǎo)帶或淺施主能級(jí)向深受主能級(jí)的躍遷產(chǎn)生的復(fù)合輻射，而這一深受主能級(jí)可能是與VGa相關(guān)的復(fù)合體，該復(fù)合體的能級(jí)大約位于能隙中價(jià)帶頂以上0.4eV的位置。對(duì)于位于2.53eV的綠光發(fā)光峰，認(rèn)為是由淺施主到深受主的輻射復(fù)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(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。Raman譜的測(cè)試結(jié)果和非故意摻雜樣品的測(cè)試結(jié)果基本是一致的。PL譜測(cè)試結(jié)果顯示除了位于2.54eV和2.9eV的這兩個(gè)峰外，在1.69eV出現(xiàn)了另一個(gè)新的發(fā)光峰。結(jié)合Mg摻雜GaN的特點(diǎn)并通過(guò)對(duì)樣品PL譜中2.9eV峰和2.54eV峰的峰強(qiáng)比隨退火溫度變化的分析，認(rèn)為位于2.9eV的發(fā)光峰是與MgGa-VN復(fù)合體(Dd)和Mg的淺受主形成的深施主-淺受主對(duì)之間躍遷相關(guān)的輻射復(fù)合，并據(jù)此分析認(rèn)為位于1.6

10、9eV的發(fā)光峰可能是基于MgGa-VN復(fù)合體深施主能級(jí)(Dd)和VGa復(fù)合體相關(guān)的深受主能級(jí)(Ad)之間的輻射復(fù)合。
　　 (4)研究了離子注入導(dǎo)致的GaN表面損傷及不同退火溫度下?lián)p傷的修復(fù)。借助AFM對(duì)離子注入導(dǎo)致的GaN表面損傷及退火修復(fù)進(jìn)行了分析，表明因?yàn)镚aN表面在高溫下的熱分解，限制了通過(guò)采用更高的熱退火溫度對(duì)樣品進(jìn)行有效的損傷修復(fù)。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(guò)對(duì)Rama

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

12、退火處理的溫度應(yīng)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(xué)特性和電學(xué)特性。對(duì)不同退火溫度下樣品的磁化特性和磁滯回線的測(cè)試表明，經(jīng)過(guò)800℃退火處理后的樣品獲得了最高的磁化強(qiáng)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(rèn)為樣品的鐵磁特性主要來(lái)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(qiáng)了樣品的鐵磁性。磁化強(qiáng)度隨溫度的變化曲線進(jìn)一步驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)制備的材料的居里溫度高于室溫，測(cè)試表明樣品磁化強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì)明顯分為兩部分。這一結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了前面做出的(Ga,Mn)N和GaxMny相對(duì)材料鐵磁性的貢獻(xiàn)的推理。
　　 樣品的C-V測(cè)試和霍爾測(cè)試表明離子注入引入的缺陷一方面對(duì)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(duì)稀磁半導(dǎo)體特性的影響是一項(xiàng)需要繼

14、續(xù)研究的問(wèn)題。
　　 (6)研究了Mn離子注入Mg摻雜GaN樣品的磁學(xué)特性和電學(xué)特性。磁學(xué)特性測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出與Mn離子注入非故意摻雜GaN樣品相似的結(jié)果，樣品在800℃退火后獲得了最高的磁化強(qiáng)度并顯示樣品具有室溫鐵磁性。測(cè)試結(jié)果顯示樣品的磁化強(qiáng)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(shì)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(rèn)為這主要是由于Mg摻雜