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研究生: 李昕桎
Shin-Chih Li
論文名稱: 錳添加氫化非晶矽稀磁半導體之電性與磁性研究
The Study of Mn added a-Si:H DMS on Electrical and Magnetic 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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 79
中文關鍵詞: 稀磁半導體磁控濺鍍
外文關鍵詞: DMS
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  • 本研究利用磁控共濺鍍的方式製備非晶矽錳稀磁半導體材料。在鍍膜過程中通入氬氣或是氬氣與氫氣混合氣體作為工作氣氛,鍍製錳添加的非晶矽與氫化非晶矽薄膜。由量測結果可知氫化處理對試片導電率、載子濃度與磁性表現均顯著提升。磁性量測結果,錳添加氫化非晶矽試片呈現鐵磁性,以錳添加濃度10.5 at%氫化非晶矽試片的磁性表現最佳,且鐵磁性表現可維持至室溫(300 K)以上。在錳添加濃度高於15.5 at%的試片中,其鐵磁性可能來至於試片中的矽錳化合物、錳原子團簇等貢獻。依據電性與磁性量測的結果,推測本研究所製備之錳添加氫化非晶矽稀磁半導體其鐵磁性來源較符合磁性偏極子(BMP)模型的理論推測。
      藉由低溫霍爾量測結果目前尚未觀察到明顯異常霍爾現象。可能是由於試片在低溫時接點材料與半導體材料介面不穩定。這又或是低溫時半導體材料本身的電阻值太高所造成的影響。且推測在此系統中載子受局域化,亦無法有效傳遞訊號。本研究也嘗試在試片中添加鋁或硼元素來加強試片導電性,但效果皆不理想。因此未來對於錳添加氫化非晶矽稀磁半導體的研究應思考如何提升試片載子濃度與遷移率。


    目 錄 誌謝..……………………………………………………………………..I 摘要….…………………………………………………………………..II Abstract…….………………………………………………………….III 目錄……..………………………………………………………………IV 圖目錄……………………………………………………………...…VIII 表目錄…..……………………………………………………………..XII 第一章 序論……………………………………………………………1  1-1 引言…………………………………………….…………………1 1-2 研究目的………………………………………………….………2 第二章 文獻回顧………………………………………………………3  2-1 稀磁半導體簡介………………………………………………….3   2-1-1 何謂稀磁半導體…………………………………………….3   2-1-2 稀磁半導體的發展歷史與現況…………………………….4   2-1-3 稀磁半導體的理論………………………………………….6   2-1-4 發展稀磁半導體所面臨的挑戰…………………………...10  2-2 稀磁半導體的應用……………………………………………...11   2-2-1 自旋發光二極體……………………………………………11   2-2-2 自旋場效電晶體…………………………………………...14   2-2-3 穿隧式磁阻元件…………………………………………...15  2-3 四族稀磁半導體文獻回顧……………………………………..18  2-4 相關矽錳第二相之磁性質……………………………………...27 第三章 實驗步驟與分析……………………………………………..28  3-1 實驗流程………………………………………………………...28   3-1-1 實驗詳細步驟……………………………………………...28  3-2 磁控濺鍍系統…………………………………………………...30  3-3 薄膜分析設備與原理…..……………………………………….32   3-3-1 α-step膜厚量測儀…………………………………………..32   3-3-2 四點探針 (four point probe)……………………………….32   3-3-3 霍爾量測 (Hall measurement)……………………………..33   3-3-4 場發射電子微探儀 (FE-EPMA)…………………………..36   3-3-5 X光繞射分析儀 (XRD)……………………………………37   3-3-6 超導量子干涉儀 (SQUID)………………………………...39   3-3-7 穿透式電子顯微鏡 (TEM)………………………………..40   3-3-8 物理性質量測系統 (PPMS)……………………………….41    3-3-8-1 異常霍爾效應量測試片準備…………………………43 第四章 結果與討論…………………………………………………..45  4-1 共濺鍍輸出功率與錳添加濃度關係…………………………...45  4-2 結構分析………………………………………………………...46   4-2-1 XRD分析……………………………………………………46   4-2-2 穿透式電子顯微鏡分析…………………………………...48  4-3 錳添加非晶矽系統的電性表現………………………………...51   4-3-1 錳添加濃度對電性之影響………………………………...51   4-3-2 氫原子對電性之影響……………………………………...52  4-4 錳添加非晶矽系統的磁性表現………………………………...54   4-4-1 基板磁訊號量測…………………………………………...54   4-4-2 錳添加濃度對於氫化非晶矽磁性表現的影響…………...55   4-4-3 氫氣對磁性表現之影響…………………………………...62  4-5 異常霍爾效應(anomalous Hall effect, AHE)量測……………..65   4-5-1 試片準備…………………………………………………...65   4-5-2 異常霍爾效應量測結果…………………………………...67  4-6 添加其他元素(Al、B)對電性與磁性的影響………………….69   4-6-1 鋁添加濃度對電阻率影響………………………………...69   4-6-2 硼添加對電性影響………………………………………...69   4-6-3 硼添加對磁性表現之影響………………………………...71 第五章 結論…………………………………………………………..72 第六章 參考文獻……………………………………………………..75

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