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研究生: 黃威智
Wei-Ji Huang
論文名稱: 矽錳稀磁半導體之磁性與電性研究
The Study of MnxSi1-x DMS on Magnetic and Electrical Properties
指導教授: 金重勳
Tsung-Shune Chin
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 稀磁半導體矽錳稀磁半導體離子佈植
外文關鍵詞: diluted magnetic semiconductors, silicon-based DMS
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  • 中 文 摘 要
    於本實驗中利用離子佈植製程製備矽錳稀磁半導體,並且於矽錳材料層添加硼元素來加強矽錳層的導電性,如此可確保霍爾量測訊號來自矽錳稀磁半導體層。於磁性質量測結果可知矽錳試片呈現鐵磁性表現,其磁化量可維持至高溫(~200 K),其鐵磁性質可能源於試片中的錳原子團簇、矽錳化合物等貢獻,而非由載子誘發鐵磁性的本質稀磁半導體表現。藉由低溫霍爾量測結果亦無異常霍爾之現象表現,亦可說明其鐵磁表現可能為外質之鐵磁相訊號。於微結構、成份分析上發現矽錳化合相之析出對錳元素於矽基材中的固溶度、分佈影響甚巨,而使得矽錳試片不具稀磁半導體之本質特性。
    因此於未來的矽錳稀磁半導體研究首要應聚焦於如何有效的摻雜錳原子於矽基材中而盡量避免第二相產生。


    Abstract
    The magnetic and structure of Si1-xMnx samples were fabricated by implanting Mn+ ions into p-type silicon (100) substrates with an energy of 150 keV at the doses of (1~10) x1015 at./cm2 and annealing at temperature ranging form 700 to 900 oC, were investigated. In the results of the magnetization against magnetic field (M-H) measurements, we found that all of the samples showed ferromagnetic characteristics in low temperature of 5 K, but the M-H loops of the samples annealed at 900 oC performed suparamagnetism at temperature of 250 K and the samples annealed at 800 oC preserved ferromagnetic properties up to 250 K. The results from magnetization as the function of temperature (M-T) measurements further approved the magnetic behaviors observed in M-H measurements. In the results of microstructure analysis implemented with TEM, we found that extremely few of Mn atoms exist in the matrix of silicon due to precipitation of second and the local structure imhomogeneity caused by Mn clusters. The imhomogeneity in distribution of Mn ions were surveyed by SIMS measurement. Moreover, we observed no phenomenon of AHE in Hall measurements, which indicated the original of ferromagnetism in our Si1-xMnx samples may come from contribution of magnetic second phases and Mn clusters.

    目 錄 中文摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖目錄 Ⅶ 表目錄 Ⅹ 第 1 章 導論 1 第 2 章 文獻回顧 3 2.1. 稀磁半導體的簡介 3 2.1.1 何謂稀磁半導體 3 2.1.2 發展DMS的動機 4 2.1.3 DMS的發展歷史和現況 6 2.1.4 DMS的理論發展 8 2.1.5 DMS的應用 11 2.1.5.1 Spin LED 11 2.1.5.2 FET 13 2.1.5.3 穿隧磁阻 14 2.1.5.4 Exchange bias 16 2.2. 四族DMS的文獻回顧 18 2.3. 錳於矽中的固溶極限 24 2.4. 錳於矽中的摻雜能階 24 2.5. 相關矽錳第二相之磁性質 25 第 3 章 實驗步驟與分析 26 3.1 實驗步驟 26 3.1.1 實驗步驟細節 27 3.2 佈值模擬 28 3.3 試片規格 28 3.4 離子佈植 29 3.5 快速退火處理 31 3.6 超導量子干涉儀 32 3.7 電性量測 33 3.8 穿透式電子顯微鏡 36 3.9 X光能量散佈光譜儀 37 3.10 二次離子質譜儀 38 第 4 章 結果與討論 39 4.1 SRIM模擬離子佈植參數 39 4.2 Si1-xMnx磁性質量測 41 4.2.1 初佈植試片和基板磁訊號量測 41 4.2.2 錳摻雜劑量於矽錳層磁化量之影響 43 4.2.3 退火溫度於矽錳磁化量之影響 45 4.2.4 退火溫度、錳摻雜劑量對矯頑磁場、飽和磁場的 影響 47 4.2.5 M-T量測 50 4.3 二次離子質譜儀分析 53 4.3.1 初佈植試片之SIMS分析結果 53 4.3.2 退火溫度於錳、硼原子縱深分佈之影響 54 4.4 電性量測結果 57 4.4.1 錳摻雜劑量對矽錳層電性的影響 58 4.4.2 退火條件對矽錳層電性的影響 61 4.4.3 低溫霍爾效應 62 4.4.4 矽錳層的磁阻量測 66 4.5 電子顯微鏡分析 69 第 5 章 結論 75 第 6 章 未來研究方向之建議 78 第 7 章 參考文獻 79

    第 7 章 參 考 文 獻
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