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稀磁锗（Ge）量子结构制备及其特性研究

作　者: 楼曹鑫
导　师: 黄仕华；马锡英
学　校: 浙江师范大学
专　业: 物理电子学
关键词: 稀磁半导体 PECVD Mn掺杂稀磁特性退火
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

稀磁性半导体是指：带有磁性的过渡金属或稀土金属离子低浓度掺杂,替代半导体中非磁性阳离子后形成的一类带磁性半导体材料。这类材料的器件会有更小器件尺寸、更快运算速度、更低功耗、且存在非易失性,在半导体集成电路、高密度非易失性存储器、磁感应器、自旋量子计算机和光隔离器半导体激光器等领域蕴涵着巨大的潜在应用前景。简言之：它引入电子自旋,兼备半导体和磁性的双重特性,在半导体物理和磁性物理之间架起了一道桥梁。所以,稀磁半导体的科学研究是当今信息科学、半导体物理,材料化学等多个学科的研究热点。本文所研究的内容主要是在Ⅳ族半导体Ge中掺杂磁性过渡金属Mn。我们使用PECVD和磁控溅射制备稀磁Ge半导体薄膜,PECVD用于生长Ge量子点薄膜,磁控溅射用于Mn的掺杂(高温扩散),着重研究特定条件下(600℃扩散退火)的形貌与磁学特性。同时我们也运用Mn/Ge共溅射的方法制备了不同浓度的稀磁Ge薄膜,主要研究不同退火温度下的形貌结构变化,以及不同浓度的Mn掺杂情况下的磁学特性异同分析,并比较分析了这两种不同的制备方法。通过调节制备条件,系统的研究了不同基底温度下样品的形貌、结构、电学、磁学特性的变化。通过扫描电子显微镜(SEM),原子力显微镜(AFM)观察了其表面形貌变化;X射线衍射仪(XRD),拉曼测试仪,X射线能谱图(EMAX)等表征手段测试了样品的微观结构与组分,电流-电压(I-V)和电容-电压(C-V)方法分析了样品电学特性变化；运用震动样品磁强计测量样品的磁滞回线,表征其磁学性能。样品衬底为p-硅(100)基片。观察形貌,发现最初生长的锗量子点分布比较散乱,真空退火后,锗量子点分布趋于均匀,随退火温度的升高,量子点尺寸趋于均匀,并呈一定的取向排列,并且样品的表面没有观察到磁性杂质团簇。XRD检测表明,掺杂的Mn已进入Ge晶格中,掺杂后样品仍然为Ge立方结构；随衬底升高,衍射峰与拉曼特征峰也变强,材料的结晶性增强。I-V、C-V测试发现其具有良好的电学特性,掺杂前后电学特性变化很小说明掺杂没有改变半导体Ge的电子输运性质,随退火温度的升高,相同偏压下退火样品的电流、电容值明显增大,漏电流减小。震动样品磁强计发现制备样品具有高于室温的磁性,分析认为磁性的产生是Mn进入Ge晶格形成的。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-18
  1.1 半导体Ge(锗)与磁性材料简介  9-10
    1.1.1 半导体锗特性介绍  9
    1.1.2 磁性物质的形成分类  9-10
  1.2 稀磁半导体  10-13
    1.2.1 自旋电子学概述  11
    1.2.2 稀磁半导体的性质与研究现状  11-13
  1.3 稀磁Ge半导体研究现状与研究意义  13-16
    1.3.1 稀磁Ge半导体的研究现状  13-14
    1.3.2 稀磁Ge半导体的研究意义  14-16
  1.4 本论文的主要研究内容  16-18
2 样品制备技术与表征方法  18-28
  2.1 制备仪器介绍  18-21
    2.1.1 等离子增强化学气相沉积(PECVD)  18-20
    2.1.2 磁控溅射设备(Magnetron Sputtering)  20-21
  2.2 样品制备的实验方法  21-25
    2.2.1 扩散法制备Ge_(1-x)Mn_x薄膜  21-23
    2.2.2 共溅射法制备Ge_(1-x)Mn_x薄膜  23-25
  2.3 样品的表征  25-26
    2.3.1 X射线衍射(XDR)与拉曼谱  25-26
    2.3.2 扫描电镜与原子力显微镜  26
  2.4 本章小结  26-28
3 扩散法制备Ge_(1-x)Mn_x与其特性研究  28-35
  3.1 引言  28
  3.2 薄膜的结构与形貌研究  28-31
    3.2.1 XRD测试  28-29
    3.2.2 形貌研究  29-31
  3.3 样品的电学与磁学特性  31-33
    3.3.1 电学特性  31-32
    3.3.2 磁学特性  32-33
  3.4 小结  33-35
4 共溅射法制备Ge_(1-x)Mn_x及其特性研究  35-43
  4.1 薄膜的结构与形貌研究  35-39
    4.1.1 EMAX能谱测试  35-36
    4.1.2 Ge_(1-x)Mn_x典型样品退火后拉曼特性研究  36-37
    4.1.3 Ge_(1-x)Mn_x典型样品退火后AFM测试  37-39
  4.2 薄膜的磁学与电学特性研究  39-42
  4.3 小结  42-43
5 总结与展望  43-44
参考文献  44-47
攻读学位期间取得的研究成果  47-48
致谢  48-49
浙江师范大学学位论文诚信承诺书  49-50

稀磁锗（Ge）量子结构制备及其特性研究

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