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研究生: 蘇庭頤
論文名稱: 氮化鐵鎵稀磁半導體薄膜之製備
Fabrication of the (Ga,Fe)N Diluted Magnetic Semiconductor film
指導教授: 開執中
陳福榮
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 71
中文關鍵詞: 稀磁氮化鎵離子佈植磁性半導體
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  • 在2000年H. Ohno等人利用(In,Mn)As成功作出低溫的稀磁半導體元件後,證實了稀磁半導體的理論是可以實際達成的,這個結果也使得這幾年來稀磁半導體研究題目受到熱烈的討論和研究。
    在本實驗中使用離子佈植的方式,利用72 keV的加速能量將鐵佈植進入氮化鎵母材之中,佈植的劑量分別為3、5x1016 #/cm2,在佈植完成後為了消除佈植時所造成的晶格損傷,作不同溫度的退火熱處理分別作700 ℃和800 ℃,並使用電子顯微鏡來觀察未退火及退火後的試片情形,發現佈植區的深度大概為60~70 nm與事先模擬的結果十分接近,並且在退火800 ℃的試片表面發現了第二相Fe4N的生成,而退火700 ℃的試片表面則沒有觀察到第二相的出現,並且退火700 ℃的試片在繞射圖的結果中,同樣沒有發現第二相的繞射點出現,並由繞射圖中發現退火確實有明顯地消除晶格扭曲,但並沒有完全回復佈植後的晶格,此外利用電子顯微鏡加裝的X光能量散佈光譜儀對成份分佈作分析,在結構和成份分析完後,接著使用超導量子干涉儀(SQUID)來量測試片的磁性質,結果發現佈植完的試片在室溫仍有磁性質的表現,並在磁性結果中發現佈植劑量為3x1016 #/cm2有較佳的磁性質表現。
    而本論文研究在量測完磁性質後,又進一步作電性量測的探討,從電性的實驗結果配合先前的實驗結果,發現在退火700 ℃下試片雖有不錯的磁性質表現,但對於電性而言退火的溫度仍然過低,造成沒辦法有效減低佈植區的電阻值,這可能是試片的晶格仍沒有完全回復的原故,因此將來如果要以離子佈植這方式製作稀磁半導體元件首要目標就是改善電性這一部份。


    目 錄 Ⅰ 圖表目錄 Ⅳ 一、前言 1 二、文獻回顧與理論 4 2-1 稀磁半導體目前之研究現況 4 2-2 理論模擬 5 2-2-1 平均場理論(Mean Field Theory) 5 2-2-2 局域化載子鐵磁性(Localized carrier) 6 2-2-3 交互巡迴式鐵磁性 7 2-3 稀磁半導體摻雜磁性原子 9 2-3-1 稀磁半導體摻雜錳 9 2-3-2 稀磁半導體摻雜鐵 12 2-3-3 稀磁半導體摻雜其它磁性原子與比較 13 2-4 稀磁半導體的場效電晶體元件 14 2-5 稀磁半導體相關研究所遭遇的問題 18 2-6 本論文實驗條件之選定 19 2-7 回顧文獻與本論文實驗比較 20 三、實驗步驟與分析方法 21 3-1 實驗步驟 21 3-2 理論模擬 22 3-3 試片準備 22 3-4 離子佈植 23 3-4-1 離子佈植簡介 23 3-4-2 加速器 24 3-5 熱退火處理 25 3-6 穿透式電子顯微鏡 26 3-6-1 穿透式電子顯微鏡簡介 26 3-6-2 電子束與樣品作用 26 3-6-3 穿透式電子顯微鏡系統 28 3-7 X光能量散佈光譜儀(EDS) 30 3-7-1 X光能量散佈光譜儀之工作原理 31 3-7-2 X光能量散佈光譜定量分析 32 3-7-3 空間解析度(patial resolution) 33 3-8 超導量子干涉磁量儀(Superconducting Quantum Interference Device ,SQUID) 34 3-9 霍爾效應量測 36 四、結果與討論 39 4-1 離子佈植實驗和SRIM模擬結果 39 4-2 前清洗和犠牲層的腐蝕條件 41 4-2-1 前清洗: 41 4-2-2 犠牲層的腐蝕 41 4-3 原子力顯微鏡(AFM, atomic force microscope) 42 4-4 退火條件 43 4-5 電子顯微鏡分析 43 4-5-1 第二相組成結構 44 4-5-2 擇區繞射圖分析 47 4-5-3 X光能量散佈光譜儀(EDS)成份分析 50 4-5-4 疊差(stacking fault)定量分析 52 4-5-5 利用Geometric phase分析應力分佈 54 4-6 VSM磁性量測結果 56 4-7 SQUID量測結果 57 4-8 電性量測結果 59 五、結論 66 六、未來研究方向 68 七、參考文獻 69

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