基于ECR-PEMOCVD技术的GaMnN薄膜的制备及其表征

论文摘要

Dietl等人于2000年在理论上预测GaMnN的居里温度要高于室温,而且本底材料氮化镓（GaN）可以在高温、大功率光电器件领域得到广泛应用,而成为最有前景的稀磁半导体材料之一。在国家自然科学基金（GaN基稀磁半导体量子点的自组织生长与特性,项目批准号:60476008）项目的支持下,本文进行了GaMnN稀磁半导体薄膜的低温生长与特性研究。实验是在自行研制的且配有反射高能电子衍射（RHEED）原位监测设备的电子回旋共振—等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR-PEMOCVD）装置上进行的。本文是在我们已经研究出生长GaN薄膜成熟的工艺基础之上通过掺入Mn,而进一步研究稀磁半导体。采用二茂锰（Cp2Mn）作为锰源,高纯氮气作为氮源,三乙基镓（TEGa）作为镓源,在蓝宝石a-Al2O3（0001）衬底上外延生长GaMnN稀磁半导体薄膜。本文所采用的ECR-PEMOCVD方法与常规MOCVD相比,生长温度降低很多,非常有利于采用低温非平衡生长工艺,生长掺有Mn离子且单一晶相的GaMnN稀磁半导体。本文在a-Al2O3（0001）衬底上,以GaN为缓冲层外延生长出单晶GaMnN薄膜。并使用RHEED、X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）等测试方法对薄膜的晶体结构和表面形貌进行了表征,利用电子探针对Mn含量进行了测量,超导量子干涉仪（SQUID）对薄膜的磁性进行了表征。RHEED图像呈现清晰的斑点状点阵,显示薄膜为单晶,表面不是很平整,为三维岛状生长模式。XRD分析表明薄膜为六方结构,沿C轴方向生长,结晶性良好。AFM显示薄膜是由许多亚微米量级的颗粒按一致的取向规则堆砌而成的。SQUID测量显示在室温下薄膜依然具有铁磁性,居里温度约为400K。同时经过综合分析,发现铁磁性仅可能来源于GaMnN,而且发现在Mn含量在2%附近每个Mn原子的磁矩最大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 稀磁半导体薄膜研究与进展
• 1.1.1 稀磁半导体
• 1.1.2 稀磁半导体的研究、近况及发展趋势
• 1.2 本底材料 GaN的基本性质与特性
• 1.2.1 GaN晶体结构的特性和物理性质
• 1.2.2 化学性质
• 1.2.3 电学特性
• 1.2.4 光学特性
• 2 膜生长理论与 GaN基薄膜的外延生长方法
• 2.1 薄膜的成核原理
• 2.2 外延单晶薄膜生长类型
• 2.2.1 岛状生长模式
• 2.2.2 层状生长模式
• 2.2.3 混合生长模式
• 2.3 GaN基薄膜的外延生长方法
• 2.3.1 气相外延
• 2.3.2 分子束外延
• 2.3.3 有机金属化学气相沉积
• 2.4 影响薄膜外延的因素
• 2.4.1 外延温度
• 2.4.2 外延速率的影响
• 2.4.3 膜厚的影响
• 2.4.4 失配度的影响
• 3 实验设备和分析技术
• 3.1 实验设备
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 电子回旋共振—等离子体增强金属有机化学气相沉积
• 3.1.3 ESPD-U的总体结构及特征
• 3.2 薄膜的分析技术
• 3.2.1 X射线衍射
• 3.2.2 反射高能电子衍射
• 3.2.3 超导量子干涉仪
• 3.2.4 原子力显微镜
• 3.2.5 电子探针
• 4 基于ECR-PEMOCVD技术的GaMnN薄膜的制备及其表征
• 4.1 GaMnN薄膜的ECR-PEMOCVD的制备
• 4.1.1 衬底材料的选择
• 4.1.2 氮源、镓源和锰源的选择
• 4.1.3 衬底的化学清洗和等离子体清洗
• 4.1.3 氮化
• 4.1.4 缓冲层的生长
• 4.1.5 外延层的生长
• 2Mn流量和N₂流量对薄膜中Mn含量的影响'>4.2 生长温度、Cp₂Mn流量和N₂流量对薄膜中Mn含量的影响
• 4.3 GaMnN薄膜的表面形貌和结构特性
• 4.3.1 RHEED分析
• 4.3.2 XRD分析
• 4.3.3 表面形貌分析
• 4.3.4 电子探针分析
• 4.4 GaMnN薄膜的磁性表征
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢