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蓝宝石(0001)作为衬底,其上有一层超过1μm的GaN缓冲层,用MOCVD方法生长了一层240nm的AlInGaN外延膜。通过卢瑟福背散射/沟道(RBS/C)方法详细研究了AlInGaN四元合金的微结构。使用RUMP程序对随机谱进行模拟,计算出AlInGaN薄膜的厚度和元素含量。计算结果表明:AlInGaN薄膜厚度为240nm,GaN缓冲层厚度超过1μm,AlInGaN薄膜的组分为Al0.40In0.02Ga0.58N。实验结果同时也表明GaN缓冲层上的AlInGaN薄膜具有良好的结晶品质(Xmin=1.5％)。通过在AlInGaN薄膜{10(1)0)面内沿着非对称<1(2)13>轴的角扫描曲线,我们得到了由于AlInGaN的弹性应变引起的四方畸变值eT。实验表明,RBS/C是一种表征薄膜材料结构的有用的技术,尤其对研究AlInGaN薄膜应变的深度分布是不可或缺的。实验中观察到,AlInGaN薄膜在界面处受到拉应变,并且向近表面方向该应变逐渐减小。根据从我们的实验结果外推,可以预期,在蓝宝石衬底上,有GaN缓冲层的情况下生长的AlInGaN外延膜,将会在厚度达到850nm时达到应变弛豫。
论文的第二部分内容是GaN的离子注入改性。在蓝宝石衬底上,用MOCVD方法生长了n型GaN外延膜,然后注入Co离子。用北京大学的5SDH-2型串列加速器进行RBS/C实验,结果表明未注入样品有很好的结晶品质(Xmin=1.3%)。在室温下能量为150KeY剂量分别为3×1016 cm-2和5×1016 cm-2的Co离子注入GaN,随后分别在700,800和900℃下进行小于5分钟的快速退火。在XRD实验中没有观测到第二相或是金属相关衍射峰。随后,我们使用北京同步辐射加速器(BSRF)和上海同步辐射光源(SSRF)进行了高分辨x射线衍射实验(HRXRD)来研究样品的结构相关的性质。在不同注入剂量的样品中,在GaN(0002)主衍射峰的左侧出现了一个典型的卫星峰。我们认为这个新的峰是由于注入引起的损伤峰,以及在注入样品中形成Ga1-xCoxN化合物。
交变梯度磁强计(AGM)测量表明,在室温下,所有的注入以及后续退火的样品都具有清晰的磁滞回线,矫顽力大小约为100 Oe。类似地,在5K下使用超导量子干涉仪(SQUID)测量样品的磁滞回线,注入剂量为3×1016 cm-2且退过火的样品矫顽力增大到270 Oe,注入剂量为5×1016 cm-2且退过火的样品矫顽力增大到600 Oe。
在室温下,使用能量为150KeV,剂量为3×1016 cm-2的Cr离子注入GaN,并分别在800和900℃下进行短于2分钟的快速退火处理。在XRD实验中没有观测到第二相或是金属相关衍射峰。与Co离子注入的GaN样品类似,对注入并退火的样品,其GaN(0002)主衍射峰的左侧同样有一个卫星峰。
交变梯度磁强计(AGM)测量表明,在室温下,所有的注入及退火后的样品都具有清晰的磁滞回线,矫顽力大小约为100 Oe。与相同剂量的Co离子注入的样品相比,在所有的样品中,饱和磁化强度(Ms)大小几乎相等。类似地,在5K下使用超导量子干涉仪(SQUID)测量样品的磁滞回线,注入剂量为3×1016cm-2且退过火的样品矫顽力增大到175 Oe。我们比较了5K时的测量结果与相同剂量Co离子注入的样品,饱和磁化强度大小与800℃退火的样品大致类似。但是对Cr离子注入并在900℃退火的样品,Ms为10.7(×10-5 emu/g),而Co离子注入的样品约为4.5(×10-5 emu/g)。
对于Co离子和Cr离子注入及退火的样品,给出了其磁化强度随温度的变化关系。Co+和Cr+注入并在900℃退火的GaN样品在低温下表现出铁磁性,并且分别在370K和380K时仍保持其磁化强度。我们的实验结果给出Co离子、Cr离子注入的GaN稀磁半导体(DMS)的最高的居里温度(TC)。