簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表
研究生： 簡忠正
論文名稱： 氮化鉻鎵稀磁半導體性質之研究
The study of (Ga,Cr)N Diluted Magnetic Semiconductors
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： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 79
中文關鍵詞： 氮化鎵 、稀磁半導體 、鉻 、磁性 、離子佈值
相關次數： 點閱：2  下載：0 
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

    • 本實驗最終目的是希望利用離子佈植方法有效的製備氮化鎵稀磁半導體，使半導體中的載子除了帶有電荷特性外，也能具有電子自旋的自由度。
    在本實驗室以往的實驗中，在鍍有鎳層的氮化鎵佈值鐵3x1016 ＃/cm2退火條件為700℃五分鐘下電阻高達126 MΩ。當我們改以熱穩定較佳的氮化矽作為擴散阻擋層時，在900℃五分鐘的退火條件下，仍舊會氮化鎵表面觀察到具有鐵磁性的BCC鐵析出。
    當由摻雜原子方面著手時，以在氮化鎵內擁有較穩定鐵磁態的鉻作為佈值元素，進行鉻佈值劑量為1×1016 # /cm2、3×1016 # /cm2，退火溫度分別為700、800 ℃五分鐘的實驗中並無觀察到任何第二相析出。在磁性量測結果得知，所有的製程條件的飽和磁化量皆在1×10-4（emu/cm2）數量級左右，且居禮溫度都接近室溫。
    在霍爾量測方面，當以un-doped GaN作為基材時， 因為材料本身不具載子，且因離子佈值產生的缺陷，使材料的電性表現較差。在所有的製程條件下，因材料電阻過大而未觀察到異常霍爾效應，此結果說明在外加磁場的情況下，電荷的傳導過程並未利用電子自旋的特性。
    為了改善此問題，我們在佈值鉻原子前先在氮化鎵表層佈值了一層矽，希望藉由此方法提高佈值層的載子濃度。我們選用了40keV的能量來摻雜劑量為1×1014 # /cm2的矽原子，在佈值後進行1200℃ 1小時的退火處理。而後續接著佈值鉻原子，劑量選擇了1×1016 # /cm2 退火溫度為700、800℃ 5分鐘。
    在製備好摻矽的氮化鉻鎵稀磁半導體材料後，我們從穿透式電子顯微鏡與超導量子干涉儀觀察結果得知，摻雜矽對材料的微結構與磁性值並未有任何影響。然而在霍爾量測結果我們發現，佈值1×1014 # /cm2的矽對於電性並無多大的改善，因此並無法把電流侷限在佈值層內流通。主要原因可能在於矽所摻雜的劑量太低。
    由上述實驗結果得知，以離子佈植法製備稀磁半導體，在磁性量測方面確實可以得到接近室溫的居禮溫度。但在電性方面，當欲以提高退火溫度改善晶格缺陷時，在氮化鎵表面會有第二相析出。而較低的退火溫度卻無法使摻雜載子活化與晶格有效回復，因此在往後的研究中我們應首先改善電性，以提升稀磁半導體材料在元件上的應用價值。

    致謝 摘要 目錄………………………………………………………I 圖目錄……………………………………………………IV 表目錄……………………………………………………VIII 一、前言……………………………………………………………1 二、文獻回顧………………………………………………………3 2-1稀磁半導體之研究背景………………………………………3 2-2理論模擬………………………………………………………5 2-2-1平均場理論……………………………………………5 2-2-2第一定律計算…………………………………………6 2-2-3侷限載子式鐵磁性……………………………………8 2-2-4交互巡迴式鐵磁性……………………………………9 2-3 GaN稀磁半導體摻雜過渡元素…………………………10 2-3-1氮化錳鎵(Ga,Mn)N稀磁半導體………………………10 2-3-2氮化鉻鎵(Ga,Cr)N稀磁半導體………………………15 2-4稀磁半導體中可能的合金相………………………………17 2-5稀磁半導體的場效電晶體元件…………………………18 2-6稀磁半導體相關研究所遭遇的問題……………………23 2-7本論文實驗條件之選定…………………………………23 三、實驗步驟與分析方法…………………………………25 3-1實驗步驟…………………………………………………25 3-2理論模擬…………………………………………………26 3-3試片準備…………………………………………………26 3-4離子佈植…………………………………………………27 3-4-1離子佈植簡介………………………………………27 3-4-2加速器………………………………………………28 3-5熱退火處理………………………………………………29 3-6TEM試片製備…………………………………………30 3-7離子剪薄機……………………………………………30 3-8穿透式電子顯微鏡…………………………………………31 3-8-1穿透式電子顯微鏡簡介………………………………32 3-8-2電子束與樣品作用……………………………………32 3-8-3穿透式電子顯微鏡系統………………………………33 3-9 X光能量分散光譜儀……………………………………35 3-9-1 X光能量分散光譜儀之工作原理……………………36 3-9-2 X光能量分散光譜定量分析…………………………38 3-9-3空間解析度……………………………………………38 3-10超導量子干涉磁量儀………………………………………40 3-11霍爾效應量測………………………………………………41 四、結果與討論…………………………………………………44 4-1高溫退火條件製備 (Ga,Fe)N……………………………44 4-1-1實驗條件介紹………………………………………44 4-1-2 SRIM模擬與離子佈值實驗…………………………45 4-1-3退火條件……………………………………………47 4-1-4氮化矽蝕刻條件……………………………………48 4-1-5穿透式電子顯微鏡分析………………………………48 4-1-6 SQUID量測…………………………………………52 4-1-7霍爾量測………………………………………………53 4-2製備(Ga,Cr)N稀磁半導體………………………………55 4-2-1實驗條件介紹…………………………………………55 4-2-2穿透式電子顯微鏡分析………………………………55 4-2-3 SQUID量測……………………………………………62 4-2-4疊差(stacking fault)定量分析……………………66 4-2-5霍爾量測………………………………………………67 4-3製備co-implanted Si的(Ga,Cr)N 稀磁半導體………69 4-3-1 SRIM模擬與離子佈值實驗…………………………69 4-3-2穿透式電子顯微鏡分析………………………………71 4-3-3 SQUID量測……………………………………………71 4-3-4霍爾量測………………………………………………72 五、結論……………………………………………………74 六、未來研究方向與建議…………………………………77 七、參考文獻………………………………………………78 圖目錄 圖2-1磁性半導體、稀磁半導體、半導體示意圖……………………3 圖2-2 T. Dietl等人以平均場理論預測多種材料之居禮溫度…6 圖2-3居禮溫度隨著載子濃度以及磁性原子之含量增加而提升……6 圖2-4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…………………………………………7 圖2-5侷限載子式鐵磁性示意圖………………………………………8 圖2-6交互巡迴式鐵磁性示意圖………………………………………9 圖2-7在ne/nI <<1的範圍電子自旋之交互耦合作用………………10 圖2-8離子佈植製備氮化錳鎵之TEM影像與M-T曲線圖…………12 圖2-9室溫下不同摻雜濃度的M-H曲線……………………………13 圖2-10以MBE成長氮化錳鎵之M-T曲線………………………13 圖2-11以MBE成長氮化錳鎵之M-H曲線…………………………13 圖2-12居禮溫度依退火溫度不同而改變………………………14 圖2-13不同退火溫度下XRD之分析結果…………………………14 圖2-14氮化鎵摻雜鉻在500Oe下量測的M-T圖……………………15 圖2-15 150K與250K下量測的M-H圖……………………………15 圖2-16氮化鎵摻雜鉻在300G下量測的M-T圖…………………16 圖2-17氮化鎵摻雜鉻在7K與300K量測的M-H圖………………16 圖2-18 GaN摻雜(a) Co (b) Cr (c) V 在5K下量測的M-H圖………16 圖2-19載子引發鐵磁性之場效電晶體結構示意圖…………………18 圖2-20在不同溫度下量測霍爾電阻…………………………………19 圖2-21施加不同柵極電壓，使的磁性有不同的強弱表現…………19 圖2-22磁訊號隨閘極電壓的增大而有逐漸減弱的趨勢……………20 圖2-23結構示意圖和元件示意圖……………………………………21 圖2-24(A)試片A在40K下量測結果(B)試片B在33下量測結果，磁 訊號隨閘極電壓的增大而有逐漸減弱的趨勢……………22 圖2-25不同溫度下的霍爾電阻………………………………………22 圖3-1實驗流程圖………………………………………………………25 圖3-2 9SDH-2串級加速器的構造圖…………………………………28 圖3-3退火爐管系統裝置圖……………………………………………29 圖3-4 TEM試片製備………………..…………………………………31 圖3-5高能電子束與薄樣品交互作用示意圖………………………32 圖3-6穿透式電子顯微鏡基本構造圖…………………………………34 圖3-7 EDS訊號處理流程圖…………………………………………37 圖3-8超導量子干涉磁量儀細部結構圖…………………………41 圖3-9傳導載子為電子時示意圖…………………………………42 圖3-10電場對傳導電子產生向導體下方的拉力…………………42 圖4-1 以72 keV能量佈植過渡元素進入GaN的示意圖……………46 圖4-2 模擬佈值72 keV鐵原子在氮化鎵中的分佈情形 (A)鐵原子分佈曲線 (B)缺陷分佈曲線……………………47 圖4-3 (A)佈植層擇區繞射圖(B)未佈值氮化鎵擇區繞射圖………49 圖4-4 鐵 3×1016 # /cm2，900 ℃退火TEM圖影像與擇區繞射圖…50 圖4-5 析出物與佈值層之X光能量散佈光譜儀分析…………………50 圖4-6佈植鐵3×1016 ＃/cm2在900℃的退火下，EDS成份分析結果與析出物繞射圖…………………………………………………51 圖4-7佈植鐵 3×1016 # /cm2，900 ℃退火的M-H曲線圖…………52 圖4-8佈植鐵 3×1016 # /cm2，900 ℃退火的霍爾量測結果………53 圖4-9 佈植鐵 3×1016 # /cm2，(A)未退火、700、800℃退火之TEM 影像 (B)不同對比處之EDX成分分析……………………56 圖4-10 佈植鉻3×1016 # /cm2，800 ℃退火的高分辨電子顯微鏡原子 影像……………………………………………57 圖4-11佈植鉻3×1016 # /cm2，700 ℃退火的TEM影像與擇區繞 圖………………………………………………59 圖4-12佈植鉻3×1016 # /cm2，800 ℃退火的TEM影像與擇區繞 圖……………………………………………59 圖4-13佈植鉻1×1016 # /cm2，700 ℃退火的TEM影像與擇區繞射 圖……………………………………………60 圖4-14佈植鉻1×1016 # /cm2，800 ℃退火的TEM影像與擇區繞射 圖……………………………………………60 圖4-15佈植鉻3×1016 # /cm2，700 ℃退火的EDX成分分析…………61 圖4-16佈植鉻3×1016 # /cm2與1×1016 # /cm2，700、800 ℃退火條件下，在5K量測的M-H曲線圖……………………62 圖4-17佈植鉻3×1016 # /cm2，700℃退火下的M-T曲線圖…………63 圖4-18佈植鉻3×1016 # /cm2，800℃退火下的M-T曲線圖…………64 圖4-19佈植鉻3×1016 # /cm2，800℃退火下的M-T曲線圖…………64 圖4-20 疊差密度計算流程圖………………………………………65 圖4-21不同退火溫度缺陷數目分析圖 (A)佈值鉻3×1016＃/cm2 (B)佈值鉻1×1016＃/cm2……………………………………67 圖4-22 劑量3×1016 # /cm2，700℃退火的試片在300K與10K 霍爾量測……………………………………………68 圖4-23 劑量1×1016 # /cm2，800℃退火的試片在300K與10K 霍爾量測……………………………………………68 圖4-24 劑量1×1016 # /cm2，700℃退火的試片在300K與10K 霍爾量測……………………………………………69 圖4-25 佈值矽與鉻的流程示意圖………………………………70 圖4-26 模擬佈值40keV矽原子與72 keV鉻原子在氮化鎵中的分佈 情形………………………………………………………70 圖4-27 佈植矽1×1014 # /cm2與鉻 1×1016 # /cm2，800 ℃退火的TEM圖影像與擇區繞射圖…………………………………………71 圖4-28佈植鉻3×1016 # /cm2，800℃退火下的M-T曲線圖…………72 圖4-29摻雜矽與鉻，800℃退火的試片在300K與10K霍爾量測 結果……………………………………………………………73 表目錄 表2-1目前GaN摻雜過渡元素的許多研究結果……………………11 表2-2可能在III-V族稀磁半導體出現的合金相…………………17 表4-1不同製程條件下，飽和磁化量的比較………………………52 表4-2 不同塊材厚度推算載子濃度…………………………………54 表4-3 不同製程條件下，磁性質的比較……………………………63 表4-4 不同製程條件下疊差密度比較………………………………67 表4-5 有無摻雜矽的磁性質比較……………………………………72

    [1] S. A. Wolf et al., Science 294, 1488（2001）
    [2] H. Ohno, Science 281, 951（1998）
    [3] J. K. Furdyna and J. Kossut (Eds), Semiconductor and
    Semimetals Vol. 25（1988）
    [4] T. Dietl, H. Ohno et al., Science 287, 1019（2000）.
    [5] C. Zener et al., Phys. Rev. 81, 440（1950）
    [6] K. Sato, H. Katayama-Yoshida, Jpn. J. Appl. Phys.
    Lett.77, 4377 （2001）
    [7] V. I. Litvinov et al., Phys. Rev. Lett. 86, 5593（2001）
    [8] M. Berciu et al., Phys. Rev. Lett. 87, 107203（2001）
    [9] H. Akai et al., Phys. Rev. Lett. 81, 3002（1998）
    [10] J. Konig et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5628（2000）
    [11] J. Konig et al., Phys. Rev. Lett. 86, 5637（2001）
    [12] C. Liu, Journal of materials science: Material in
    Electronics 16 555– 597 （2005）
    [13] M. L. Reed et al., Appl. Phys. Lett. 79(21), 3473（2001）
    [14] S.J. Pearton, N. Theodoropoulou et al., Phys. Stat.
    Sol. (b) 228(1), 337（2001）.
    [15] S.J. Pearton, G.T. Thaler et al., Appl. Phys. Lett.
    80, 3964（2002）.
    [16] S. Sonoda et al., J. Crys. Grow. 237-239, 1358（2002）
    [17] T. Sasaki et al., J. Appl. Phys. 91, 7911（2002）
    [18] J.M. Baik, J.L. Lee, Y. Shon, J. Appl. Phys. 93, 9024
    （2003）.
    [19] J.M Baik, H.W Jang, J.K Kim, J.L Lee, Appl. Phys.
    Lett. 82, 583 （2003）
    [20] S.E Park, H.J. Lee et al., Appl. Phys. Lett. 80, 4187
    （2002）
    [21] M.Hashimoto, T.K. Zhou et al., Solid State Commun.
    122, 37 （2002）
    [22] J.S. Lee, S.J. Pearton et al., J. Appl. Phys. 93, 4512
    （2003）
    [23] S.J. Pearton, C.R. Abernathy at al., Material Science
    and Engineering R40, 137（2003）
    [24] H. Ohno et al.,Nature 408, 944（2000）
    [25] D. Chiba, M. Yamanouchi et al., Science 301, 943
    （2003）
    [26] J. F. Ziegler and J. P. Biersack，SRIM：the Stopping
    and Range of ions in Matter，Version 96.07. IBM-
    Research, Yorktown,（1996）
    [27] N. Bohr, Phil. Mag. 25, 20（1913）
    [28]陳力俊，材料電子顯微鏡學，科儀叢書3，第二章（1994）
    [29]陳福榮、鮑忠興，材料分析，中國材料科學學會，第九章
    （1998）
    [30] G. Cliff, J. Microsc. 103, 203（1975）
    [31]科儀新知，台灣大學物理所，楊鴻昌，第十二卷第六期，72
    （1991）
    [32]碩士論文，清華大學，蘇庭頤，2005。
    [33] S.J. Pearton, F. Renb, A.P. Zhangb, K.P. Lee,
    Materials Science and Engineering R 30, 55-212（2000）
    [34] M. J. Reed et al., Appl. Phys. Lett. 86, 102504（2005）
    [35] Matthew H. Kane et al., Materials Science and
    Engineering B 126（2006）230–235
    [36] X.M. Cai et al., Materials Science and Engineering B
    117（2005）292–295

    無法下載圖示 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)

    QR CODE