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随着信息技术的快速发展,传统的以电荷为基础的电子学正逐渐走向其技术极限,科学家开始把电子学研究的目光投向自旋电子学。通过控制电子的自旋自由度,我们可以得到非挥发性、低功耗、高集成度的新型器件。将自旋电子学应用到半导体中的稀磁半导体技术,也将为半导体产业带来一场新的革命。
2000年Dietl等人预言GaN,ZnO等宽禁带半导体材料通过适当掺杂Mn等磁性元素可以达到高温铁磁性,并且近年来GaN基宽禁带半导体在光电器件方面已经得到广泛应用,使GaMnN成为最有研究前途的稀磁半导体材料之一。
本论文以制备高质量的GaMnN基稀磁半导体,研究GaN材料中的自旋电子学为目标,主要取得了如下成果:
在国内首次用金属有机化学气相沉淀法(MOCVD)生长GaN掺Mn外延薄膜,通过选择合适的Mn源和生长条件得到Mn元素均匀分布的GaMnN稀磁半导体。从X射线衍射分析显示GaN掺Mn材料中没有铁磁杂相,用XANES方法分析可以确认Mn替代Ga位;通过调节流量等参数得到不同掺杂浓度的GaMnN薄膜,用PIXE方法测量Mn最高含量达到3.8﹪;得到具有室温居里温度的GaMnN材料,用SQUID方法测量最高居里温度超过380K,矫顽力大小50-100Oe。
进行了GaN基材料缺陷结构的研究,利用高分辨x射线衍射来测定用MOCVD方法生长的GaN外延层马赛克结构的扭转角,分别研究了(0002);(10-13);(10-12);(10-11);(20-21)五个面的x射线摇摆曲线,并且用Pseudo-Voigt方程拟和每一个面的摇摆曲线,我们采用这种外推法很方便地测得氮化镓外延薄膜的面内扭转角。另外我们还采用同步辐射x射线掠入射衍射(GIXRD)对样品进行(1-100)面反射φ扫描直接测得面内扭转角。通过这两种方法得到结果比较我们也首次从实验上验证了这种简单易行的外推法的可靠性。用这种方法来分析GaMnN材料的缺陷情况,为深入研究GaMnN稀磁半导体奠定基础。