鈷掺雜P型氮化鎵稀磁半導體之研究｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	黃軍皓 Jyun-Hao Huang
論文名稱：	鈷掺雜P型氮化鎵稀磁半導體之研究 The study of Co-doped GaN Diluted Magnetic Semiconductor
指導教授：	開執中 Ji-Jung 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：	77
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

　　本論文的實驗步驟主要先以PECVD的方式先在P型的氮化鎵試片成長一層Si3N4，並利用離子佈植的方式，以72 keV的能量將Co離子摻雜於試片內部，劑量從1×1016 #/cm2至2×1016 #/cm2，並經過700 ℃、800 ℃及900 ℃的溫度於氮氣中退火三分鐘，以移除離子佈植所殘留的缺陷，而鑒於700 ℃至900 ℃的熱處理條件在電性的表現下並沒有很好，因此我們將退火溫度提高到1100 ℃，並且在劑量1×1016 #/cm2以1100 ℃退火ㄧ分鐘的試片，發現其電阻有效的降低。並且以穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)作微結構的分析，並利用超導量子干涉儀去(superconducting quantum interference Device, SQUID )作磁性及電性的分析。
　　於實驗的結果中我們發現從劑量1×1016 #/cm2至2×1016 #/cm2，並經過700 ℃、800 ℃及900 ℃退火的試片，在TEM的觀察下，佈植區內部都沒有第二相的產生，在磁性的量測上，於5K的溫度下均有明顯的磁化量，並從M-T曲線也觀察到大部分的樣品其居禮溫度超過300K，顯示其室溫鐵磁性質。然而在劑量1×1016 #/cm2經過1100 ℃退火的試片，在佈植區沒有觀察到第二相的出現，在磁性的表現上除了有室溫的鐵磁性質之外，並在電性的量測上，在50K至250K的溫度下均有觀察到異常霍爾效應，而此效應隨著溫度的提升漸漸地不明顯。

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    1
1-1研究背景    1
1-2氮化鎵稀磁半導體研究動機    2

第二章 文獻回顧    4
2-1基本理論    4
2-1-1平均場理論    4
2-1-2第一定律計算    5
2-1-3侷限載子式鐵磁性    6
2-1-4互巡迴式鐵磁性    7
2-2製備稀磁半導體    8
2-2-1鎵錳氮(Ga,Mn)N稀磁半導體    9
2-2-2鎵鈷氮(Ga,Co)N稀磁半導體    15
2-3稀磁半導體中可能的合金相    18
2-4稀磁半導體元件    19
2-4-1(In,Mn)As場效應電晶體元件    19

第三章 實驗步驟與分析方法    24
3-1實驗步驟    24
3-2離子佈植與理論模擬    24
3-2-1理論模擬    24
3-2-2離子佈植簡介    25
3-2-3加速器    26
3-3熱退火處理    27
3-4歐姆接觸電極的製作    28
3-5穿透式電子顯微鏡    28
3-5-1TEM試片製備    28
3-5-2電子束與樣品的作用    31
3-5-3穿透式電子顯微鏡系統    32
3-6 X能量散佈光譜儀(EDS)    34
3-6-1 X光能量散佈光譜儀之工作原理    35
3-6-2 X光能量散佈光譜定量分析    36
3-6-3空間解析度(spatial resolution)    37
3-7超導量子干涉磁量儀    38
3-8霍爾效應量測    39

第四章 實驗結果與討論    43
4-1實驗條件介紹    43
4-2 SRIM模擬及離子佈植     44
4-3 退火條件    45
4-4氮化矽蝕刻條件    46
4-5以700℃、800℃、900℃退火溫度製備(Ga,Co)N稀磁半導體    46
4-5-1結構分析    46
4-5-2 X光能量分散光譜儀分析(EDS analysis)    48
4-5-3 SQUID量測    53
4-6以1100℃高溫退火製備(Ga, Co)N稀磁半導體退火條件    60
4-6-1結構分析    60
4-6-2 SQUID量測    61
4-6-3霍爾量□    61

第五章 結論    74
第六章未來研究方向及建議    75
參考文獻    76






圖目錄

圖1-1磁性半導體、稀磁半導體、稀半導體示意圖    2
圖2-1 T. Dietl等人以平均場理論預測多種材料之居禮溫度示意圖
    5
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    5
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圖    6
圖2-4 disorder機制示意圖    7
圖2-5 Itinerant Ferromagnetism機制示意圖    8
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相同劑量、不同退火溫度下的M-H 圖，右插圖是未佈植的試片的M-H，顯示反磁材料    10
圖2-8(a)不同退火溫度下的XRD peak，其中■:GaN，●:Al2O3 ，▼:Mn6N2.58 ，▲:Mn3N2。(b)GaN(0002)peak 的放大圖    10
圖2-9於10K時，7%錳的n-GaN所表現的M-H圖    11
圖2-10(a)不同溫度下的霍爾電阻量測 (b)局部放大圖    12
圖2-11退火溫度700℃下、不同Mn 濃度的M-H圖    13
圖2-12 室溫觀測到異常霍爾效應的RHall-H曲線    14
圖2-13 變溫異常霍爾效應的RHall-H曲線    15
圖2-14GaN摻雜(a) Co (b) Cr (c) V 在5K下量測的M-H圖    16
圖2-15不同退火條件下的XRD繞射圖譜    17
圖2-16(a)700℃800℃900℃退火條件下，5K的磁滯曲線及(b)不同退火溫度M-T曲線的變化    17
圖2-17 載子引發鐵磁性之場效電晶體結構示意圖    19
圖2-18 在不同溫度下量測霍爾電阻    20
圖2-19 施加不同柵極電壓，引發不同的載子濃度，而使的磁性有不同的強弱表現    21
圖2-20 磁訊號隨閘極電壓的增大而有逐漸減弱的趨勢    21
圖2-21結構示意圖及元件示意圖    22
圖2-22試片A在40K的溫度下量測結果    22
圖2-23試片B在33K下量測的結果    23
圖2-24不同溫度下霍爾電阻的量測    23
圖3-1 9SDH串級加速器的構造圖    27
圖3-2 TEM試片製作流程    30
圖3-3 Gatan離子減薄機(Ion Miller)    30
圖3-4高能電子束與薄樣品交互作用產生的訊號示意    31
圖3-5穿透式電子顯微鏡基本構造圖    33
圖3-6 EDS訊號處理流程圖    35
圖3-7超導量子干涉磁量儀細部結構圖    42
圖3-8 傳導載子為電子時示意圖    40
圖3-9電場對傳導電子產生向導體下方的拉力    40
圖4-1離子佈植示意圖    44
圖4-2 以SRIM模擬(a)(b)30nm、(C)(D)40nm的氮化矽做為犧牲層其摻雜元素對深度及缺陷對深度的圖形    45
圖4-3(a)劑量1×1016#/cm2;800℃退火的TEM影像;( b)擇區繞射圖形    49
圖4-4(a)劑量1×1016#/cm2;900℃退火的TEM影像;( b)擇區繞射圖形    49
圖4-5(a)劑量2×1016#/cm2;900℃退火的TEM影像;( b)擇區繞射圖形    50
圖4-6(a)劑量2×1016#/cm2;800℃退火的TEM影像;( b)擇區繞射圖形    50
圖4-7(a)劑量2×1016#/cm2;700℃退火的TEM影像;( b)擇區繞射圖形    51
圖4-8劑量(a)1×1016#/cm2;800℃退火的800K TEM影像;(b)(c)局部放大(d)擇區繞射圖形    51
圖4-9劑量(a)2×1016#/cm2;900℃退火的800K TEM影像;(b)(c)局部放大(d)擇區繞射圖形    52
圖4-10(a) 劑量1×1016#/cm2;800℃退火，TEM影像及各深度之EDS圖形    52
圖4-11劑量1×1016#/cm2不同退火溫度下，成分對深度與模擬的比較    53
圖4-12劑量1×1016#/cm2經過不同退火溫度5K下的M-H曲線    55
圖4-13劑量2×1016#/cm2經過不同退火溫度5K下的M-H曲線    55
圖4-14劑量1×1016#/cm2;700℃退火溫度的M-T曲線圖    56
圖4-15劑量1×1016#/cm2;800℃退火溫度的M-T曲線圖    57
圖4-16劑量1×1016#/cm2;900℃退火溫度的M-T曲線圖    57
圖4-17劑量2×1016#/cm2;700℃退火溫度的M-T曲線圖    58
圖4-18劑量2×1016#/cm2;800℃退火溫度的M-T曲線圖    58
圖4-19劑量2×1016#/cm2;900℃退火溫度的M-T曲線圖    59
圖4-20劑量2×1016#/cm2;700℃退火溫度於300K夏量□的M-H曲線    59
圖4-21(a)劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片的TEM影像(b)擇區繞射圖形    65
圖4-22(a)劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片的800K TEM影像(b)局部放大圖(c)擇區繞射圖形    65
圖4-23(a)劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，於50K下的M-H圖(b) 低場局部放大圖    66
圖4-24(a)劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，於300K下的M-H圖(b)低場局部放大圖    67
圖4-25劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，M-T曲線圖    68
圖4-26 霍爾量測接線示意圖    68
圖4-27霍爾量測接線示意圖及量測試片座    69
圖4-28劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，電阻對溫度的關係圖    69
圖4-29 50K下霍爾電阻對於正負磁場的關係圖    70
圖4-30 (a) 劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，不同溫度下霍爾電阻  對磁場的關係；(b) 200K至250K之局部放大圖。    70
圖4-31(a)劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，50K下霍爾電阻對磁場的關係(b)H.Ohno等人在3.5K下，(In,Mn)As其霍爾電阻率與磁場的關係    71
圖4-32劑量1×1016#/cm2;1100℃退火試片，以迴圈的方式量□霍爾電阻對磁場的關係    721
圖4-33 圖4-33 (a)霍爾電阻y軸截距取法示意圖; (b)不同溫度下與霍爾電阻y軸截距的關係圖    72











表目錄

表2-1目前GaN摻雜各種過度元素的研究結果    9
表2-2 可能在III-V族稀磁半導體出現的合金相    18
表3-1實驗的流程    24
表4-1各種製備條件的磁性質比較    56
表4-2不同退火溫度下電性表現的比較    69

                                

參考文獻

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全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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