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研究生： 徐浩迪
Hao-Di Hsu
論文名稱： 鉻摻雜P型氮化鎵稀磁半導體之研究
The study of Cr doped P-GaN Diluted Magnetic Semiconductor
指導教授： 開執中
Ji-Juang Kai
陳福榮
Fu-Rong Chen
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： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 70
中文關鍵詞： 稀磁半導體 、氮化鎵
外文關鍵詞： Diluted Magnetic Semiconductor, GaN
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    • 摘要    本實驗最主要就是利用離子佈植法來有效的製備氮化鎵稀磁半導體，利用這一簡單且快速的方法我們可以大量的製備稀磁半導體。    本實驗是以往的實驗中，在鍍有氮化矽的氮化鎵佈植鉻1x1016＃/cm2、3x1016＃/cm2  分別以700、800℃退火五分鐘，雖然鐵磁的訊號都不錯但是電阻方面就很差，在霍爾效應量測時訊號都極不穩定的亂跳，所以我進行了下列的改善：1.    將佈植的劑量的降低，分別為1x1016＃/cm2、2x1016＃/cm2，換算為原子的百分比為1at％、2at％。2.    將退火溫度提高，我們分別增加了900、1100℃退火溫度，並將退火溫度降低避免第二相的析出。後續的實驗中我們用穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy）、超導量子干涉磁量儀（Superconducting Quantum Interference Device ,SQUID）、霍爾效應量測系統。    在電子顯微鏡的分析下，所有的退火溫度均沒有發現第二相、析出物的產生，磁性的表現可以很明顯的看見鐵磁的訊號，居里溫度也是可以到達室溫。霍爾量測方面，雖然有效的降低電阻但是卻沒有發現異常霍爾效應，只有一般的霍爾效應。

    章節目錄章節                                            頁次摘要    I章節目錄    II圖目錄    IV表目錄    VII第一章 前言    11-1簡介    11-2研究動機    2第二章 文獻回顧    32-1載子引致鐵磁理論與平均場模型    32-1-2 第一定律計算    42-1-3侷限載子式鐵磁性    52-2-4互巡迴式鐵磁性    72-2實驗文獻回顧……………………………………………………82-2-1氮化錳鎵(Ga,Mn)N稀磁半導體    92-2-2氮化鉻鎵(Ga,Cr)N稀磁半導體…..…………………..122-3稀磁半導體中可能的合金相    162-4 稀磁半導體的場效電晶體元件……………………..….. 18第三章實驗步驟與分析方法    243-1 實驗步驟    243-2 理論模擬    253-3 試片準備    263-4離子佈植    263-4-1 離子佈植簡介    283-4-2 加速器    283-5 熱退火處理    283-6 TEM試片製備    303-8 穿透式電子顯微鏡    323-8-1 穿透式電子顯微鏡簡介    323-8-2 電子束與樣品作用    333-8-3 穿透式電子顯微鏡系統    343-9 X光能量散佈光譜儀    363-9-1 X光能量散佈光譜儀之工作原理    373-9-2 X光能量散佈光譜定量分析    393-10 超導量子干涉磁量儀    403-11 霍爾效應量測    42第四章 實驗結果與討論    454-1離子不值實驗和SRIM模擬結果    454-2 退火條件    464-3 氮化矽的蝕刻條件    474-4穿透式電子顯微鏡分析    484-5磁性量測    544--6以1100℃製備（Ga,Cr）N稀磁半導體    604-6-1穿透式電子顯微鏡分析    604-6-2磁性量測    604-6-3霍爾量測    63第五章 結論    67第六章 未來研究方向    68參考文獻    69圖目錄圖2-1T. Dietl等人以平均場理論預測多種材料之居禮溫度    4圖2-2居禮溫度隨著載子濃度以及磁性原子之含量增加而提升    4圖2-3理論計算GaN分別摻入不同過渡金屬物質時，鐵磁態與自旋態玻璃之間的能量差異…………………………………………..……..5圖2-4 disorder機制示意圖    6圖2-5 Itinerant Ferromagnetism機制示意圖    7圖2-6 在ne/nI<<1的範圍，其呈現鐵磁態之交互耦合    8圖2-7離子佈植製備氮化錳鎵之TEM影像與M-T圖    11圖2-8 室溫下不同摻雜濃度的M-H曲線    12圖2-9 氮化鎵摻雜鉻在500Oe下測的M-T圖    13圖2-12氮化鎵摻雜鉻在7K與300K量測的M-H圖    13圖2-13 GaN摻雜(a) Co (b) Cr (c) V 在5K下量測的M-H圖    14圖2-14摻雜Cr之氮化鎵M-T圖    15圖2-15摻雜Cr、Mn、V的M-H圖    16圖2-16摻雜Cr、Mn、V的M-T圖    16圖2-17 載子引發鐵磁性之場效電晶體結構示意圖    18圖2-18 在不同溫度下量測霍爾電阻    19圖2-19施加佈電壓，引發不同載子濃度，可以改變磁性的強弱    20圖2-20 磁訊號隨閘極電壓的增大而有逐漸減弱的趨勢    20圖2-21 結構示意圖和元件示意圖    21圖2-22 (A)試片A在40K下量測結果    22圖2-22 (B)試片B在33K下量測結果    22圖2-23 不同溫度下的霍爾電阻    23圖3-1實驗流程示意圖    25圖3-2 9SDH-2串級加速器的構造圖    28圖3-3 退火爐管系統裝置...................................................................... 29圖3-4(a) 利用G1膠黏貼試片成三明治    31圖3-4(b) 將其中一面表面拋光黏至玻璃上    31圖3-4(c) 使用A-B膠將銅環與試片黏著    31圖3-4(d) 利用離子減薄機將試片修薄    32圖3-5 高能電子束與薄樣品交互作用產生的訊號示意圖    33圖3-6 穿透式電子顯微鏡基本構造圖    35圖3-7 EDS訊號處理流程圖    38圖3-8 超導量子干涉磁量儀細部結構圖    42圖3-9 傳導載子為電子時示意圖    43圖3-10電場對傳導電子產生向導體下方的拉力    43圖4-1 以72kev能量佈植鉻離子進入氮化鎵的示意圖    45圖4-2（A）鉻原子分佈曲線    46圖4-2（B）缺陷分佈曲線    47圖4-3(A)未佈植氮化鎵的擇區絡射圖    48圖4-3(B)佈植層的擇區絡射圖    48圖4-4氮化矽的厚度    50圖4-5 1×1016＃/cm2、退火700℃的TEM圖像    51圖4-6 2×1016＃/cm2、退火700℃的TEM圖像    51圖4-7 1×1016＃/cm2、退火800℃的TEM圖像    52圖4-8 2×1016＃/cm2、退火800℃的TEM圖像    52圖4-9 1×1016＃/cm2、退火900℃的TEM圖像    53圖4-10 2×1016＃/cm2、退火900℃的TEM圖像    53圖4-11 Cr EDX元素分析    54圖4-14 700℃ 1×1016＃/cm2的M-T曲線    57圖4-15 700℃ 2×1016＃/cm2的M-T曲線    57圖4-15 800℃ 1×1016＃/cm2的M-T曲線    58圖4-16 800℃ 2×1016＃/cm2的M-T曲線    58圖4-17 900℃ 1×1016＃/cm2的M-T曲線    59圖4-18 900℃ 2×1016＃/cm2的M-T曲線    59圖4-19 1100℃ 1×1016＃/cm2的TEM圖像    61圖4-20 EDX 1100℃ Cr元素分佈圖    61圖4-21 1100℃ 1×1016＃/cm2各種不同溫度的M-H圖    62圖4-22 1100℃ 1×1016＃/cm2的M-T曲線圖    62圖4-23 霍爾量測的試片載體    64圖4-24 霍爾量測的接點示意圖    64圖4-25 溫度對電阻的變化圖    65圖4-26 霍爾電阻和磁場的關係圖    65圖4-27霍爾電阻和磁場的關係圖    66表目錄表2-1各種成長方式    9表2-2 可能在III-V族稀磁半導體出現的合金相    17表4-1各種退火條件    49表4-2 各個條件下磁性的量測    56表4-3 1100℃ 1×1016＃/cm2各種不同量測溫度下的結果    63

    七、參考文獻[1]T. Dietl, H. Ohno et al., Science 287, 1019 (2000)[2]K. Sato, H. Katayama-Yoshida, J.Appl.Phys.Lett.77,4377[3]V. I. Litvinov et al., Phys.Rev.Lett.86,5593 (2001)[4]M. Berciu et al., Phys. Rev.Lett.87,3002 (1998)[5]H. Akai et al., Phys. Rev. Lett.81,3002 (1998)[6]J. Konig et al., Phys. Rev. Lett.84,5628 (2000)[7]J. Konig et al., Phys.Rev.Lett.86,5637 (2001)[8]C. Liu, Journal of materials science: Material in Electronics 16 555 597 (2005)[9]M. L. Reed et al., Appl.Phys.Lett.79(21),3473 (2001)[10]S. J. Pearton, N. Theodoropoulou et al., Phys. Stat.Sol.(b)228(1)[11]S. J. Pearton, G. T. Thaler et al., Appl. Phys. Lett. 80, 3964  (2002)[12]S.E Park, H. J. Lee et al.,Appl.Phys.Lett.80,4187 (2002)[13]M. Hashimoto, T. K. Zhou et al., Solid State Commun.122,37 (2002)[14]J. S. Lee, S. J. Pearton et al.,J.Appl.Phys.93,4512 (2003)[15] Muhammad B. Haider et al.,Materials Research Society Symposium Proceedings  (2006),892(GaN, AlN, InN and Related Materials),  49-54.[16] Lin Gu et al.,Journal of Magnetism and Magnetic Materials 290-291（2005）1395-1397[17] V. A. Guzenko et al., Jouanal of Applied Physics Vol.96（2004）5663-5667[18]M. Corliss et al., Phys Rev.117（1960）929.[19]P. S. Herle et al.,J. Sol. State Chem.134（1997）120[20]S. J. Pearton, C. R. Abernathy et al., Material Science and Engineering R40, 137 (2003)[21]H. Ohno et al., Nature 408,944 (2003)[22]D. Chiba, M. Yamanouchi et al.,Science 301,943 (2003)[23]J. F. Zieglerand J. P. Biersack, SRIM：the Stopping and Rang of ions in Matter, Version96.07.IBM-Research, Yorktown,（1996）[24]N. Bohr, Phil. Mag. 25,20（1913）[25]陳立俊，材料電子顯微鏡學，科儀叢書3，第二章（1994）[26]陳福榮、鮑忠興，材料分析，中國材料科學學會，第九章（1998）[27]G. Cliff, J.Microsc.103,203（1975）[28]科儀新知，台灣大學物理所，楊鴻昌，第二十六卷第六期，72（1991）[29]S.Kobayashi et al.,Journal of Crystal Growth 308（2007）58-62[30]碩士論文，清華大學，簡忠正，（2006）[31]碩士論文，清華大學，劉玉迪，（2006）

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