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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐振峰
研究生(外文):Chen-Feng Hsu
論文名稱:氮化鎳鎵稀磁半導體之製備
論文名稱(外文):Fabrication of the (Ga.Ni)N Diluted Magnetic Semiconductor
指導教授:開執中陳福榮陳福榮引用關係
指導教授(外文):Pro. Ji-Jung KaiPro. Fu-Rong Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:稀磁半導體氮化鎳鎵離子佈植
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本論文研究主要是利用離子佈植將鎳(Ni)摻雜於氮化鎵中(GaN),以期合成氮化鎳鎵(Ga,Ni)N稀磁半導體。實驗中,為有效效降低輻射損傷對表面所造成的缺陷,特地在佈植前於氮化鎵表面以濺鍍(sputter)的方式,鍍上一層厚度約10nm之鎳膜作為缺陷阻擋層,且佈植後,利用濕蝕刻20分鐘以完整去除此鎳膜,再接以進行不同條件之熱退火處理,包括500℃、700℃、800℃退火以及一組未退火試片。分析顯微結構的部分,利用穿透式電子顯微鏡(TEM)及X光能量分散譜儀(EDX),瞭解有無第二相之析出形成,以及鎳原子在氮化鎵中分佈情形,進一步觀察不同退火條件下,晶格的回復程度。再藉由X光繞射分析(XRD)對試片進行整體性分析,觀察試片隨著退火溫度的不同是否有其他第二相析出物的形成。最後,以超導量子干涉儀(SQUID)來量測經不同熱退火條件處理後,氮化鎳鎵(Ga,Ni)N稀磁半導體之磁性質變化。
實驗中我們觀察到,缺陷阻擋層的存在確實能有效的避免表面非晶質化現象的發生,且此缺陷阻擋層亦能藉由濕蝕刻方式完整去除,而不至於影響磁性質的量測結果。利用X光繞射及TEM之擇區繞射花樣(SADP)分析發現,實驗所設定的退火條件均不會使試片產生第二相析出物。再利用X光能量分散譜儀分析發現,不同退火條件下,鎳原子於氮化鎵中的分佈情形均類似於高斯分佈曲線,且隨著退火溫度的升高,鎳原子有朝表層移動的趨勢。同時,佈植後之氮化鎵內有許多疊差等面缺陷存在於其中,隨著退火溫度的提升,晶格中缺陷有被逐步修復的情形。當退火條件達800℃五分鐘,則晶格有較佳的回復程度。除此之外,隨著退火溫度的提升,試片的電洞濃度亦有隨之增加的趨勢。最後從超導量子干涉儀分析中,我們發現經800℃五分鐘之熱退火處理,氮化鎳鎵(Ga,Ni)N稀磁半導體呈現一顯著之鐵磁性,且其居禮溫度可達300K左右。
目 錄
一、前言……………………………………………………….1
二、研究動機………………………………………………….3
2-1稀磁半導體對於未來產業發展之重要性…………………….3
2-2稀磁半導體目前之研究現況………………………………….4
2-2-1低溫分子束磊晶…………….………………………….5
2-2-2平均場理論……………………………………………..7
2-2-3侷限載子式鐵磁性……………………………………..9
2-2-4交互巡迴式鐵磁性…………………………………….10
2-2-5稀磁半導體之場效電晶體元件……………………….11
2-2-6電子自旋發光二極體元件…………………………….13
2-2-7氮化錳鎵(Ga,Mn)N之稀磁半導體……………………15
2-2-8氮化鐵鎵(Ga,Fe)N之稀磁半導體…………………….21
2-2-9氮化鎳鎵(Ga,Ni)N之稀磁半導體…………………….23
2-3稀磁半導體相關研究所遭遇之難題………………………… 25
2-4本論文實驗條件之選定……………………………………… 26
三、實驗步驟與分析方法……………………………………..27
3-1離子佈植……………………………………………………… 28
3-1-1離子佈植簡介…………….…………………………....28
3-1-2加速器…………………….…………………………....28
3-1-2理論模擬………………….…………………………....29
3-2熱退火處理……………………………………………………30
3-3穿透式電子顯微鏡……………………………………………31
3-3-1TEM試片製備方法…………………………………32
3-3-2電子束與樣品作用…………………………………35
3-3-3穿透式電子顯微鏡系統……………………………36
3-3-4電子槍………………………………………………39
3-4 X光能量分散光譜儀…………………………………………41
3-4-1 X光能量分散光譜儀之工作原理…………………42
3-4-2 X光能量分散光譜定量分析………………………43
3-4-3空間解析度…………………………………………44
3-5超導量子干涉磁量儀…………………………………………45
四、實驗結果與討論…………………………………………47
4-1鎳離子直接摻雜於氮化鎵以製備氮化鎳鎵(Ga,Ni)N……… 47
4-1-1實驗條件介紹…………….……………………………47
4-1-2 SRIM模擬……………….…………………………….50
4-1-3穿透式電子顯微鏡分析………….……………………50
4-2以鎳膜為缺陷阻擋層製備氮化鎳鎵(Ga,Ni)N……………… 55
4-2-1實驗條件介紹…………….……………………………55
4-2-2 SRIM模擬……………….…………………………….55
4-2-3蝕刻條件介紹………….………….…………………...50
4-2-4穿透式電子顯微鏡分析………….……………………56
4-2-5 X光繞射分析…………….……………………………63
4-2-6 X光能量分散光譜儀分析.……………………………66
4-2-7高分辨影像分析…….………….………………….......70
4-2-8疊差定量分析………….………………………………72
4-2-9 霍爾量測分析………….……………………………..75
4-2-10超導量子干涉磁量儀分析…………………………..72
五、結論………………………………………………………79
六、未來研究之方向與建議………………………………….81
七、參考文獻………………………………………………….82

圖目錄
圖2-1磁性半導體、稀磁半導體、半導體示意圖…………………….4
圖2-2金屬態砷化錳鎵之相圖…………………………………………..6
圖2-3 T. Dietl等人以平均場理論預測高居禮溫度材料…………..8
圖2-4居禮溫度Tc與載子濃度以及磁性原子含量之關係圖…………8
圖2-5侷限載子式鐵磁性示意圖………………………………………..9
圖2-6交互巡迴式鐵磁性示意圖………………………………………10
圖2-7在ne/nI <<1的範圍電子自旋之交互耦合作用…………………10
圖2-8 DMS-FET結構圖………………………………………………..11
圖2-9稀磁半導體之場效電晶體元件…………………………………12
圖2-10閘極電壓與磁訊號之關係圖………………………………….12
圖2-11電洞濃度的多寡會影響電子自旋的排列方式……………….16
圖2-12 Spin- LED結構與運作示意圖………………………………...14
圖2-13 AMMONO方法成長GaxMn1-xN 之XRD分析結果…………15
圖2-14 離子佈植製備氮化錳鎵之TEM影像與M-T曲線圖………17
圖2-15電子濃度與導電率和錳含量之關係圖……………………….18
圖2-16 以MBE成長氮化錳鎵之M-T曲線…………………………..18
圖2-17 以MBE成長氮化錳鎵之M-H曲線…………………………..18
圖2-18 離子佈植製備氮化錳鎵Tc依退火溫度不同而改變…………19
圖2-19不同退火溫度下之XRD分析結果……………………………19
圖2-20鎳佈植於氮化鎵之磁性質表現……………………………….24
圖2-21錳、鐵、鎳佈植於氮化鎵之磁性質表現比較……………….24
圖3-1實驗流程圖………………………………………………………27
圖3-2 9SDH-2串級加速器的構造圖………………………………….29
圖3-3退火爐管系統裝置圖……………………………………………31
圖3-4試片製備之黏合方法……………………………………………33
圖3-5銅環與試片之黏貼………………………………………………34
圖3-6高能電子束與薄樣品交互作用示意圖………………….……..35
圖3-7穿透式電子顯微鏡基本構造圖…………………………………37
圖3-8電子槍結構示意圖………………………………………………40
圖3-9電子克服功函數φ脫離金屬表面示意圖……………………...41
圖3-10 EDS訊號處理流程圖………………………………………….45
圖3-11超導量子干涉磁量儀細部結構圖………………………….....46
圖4-1實驗示意圖………………………………………………....……48
圖4-2 SRIM模擬結果………………………………………………….50
圖4-3未佈植前氮化鎵薄膜之TEM影像…………………………….51
圖4-4佈植後未退火之氮化鎵薄膜TEM影像……………………….52
圖4-5島狀物之TEM影像與擇區繞射花樣………………………….52
圖4-6鎳-鎵二元相圖………………………………………………….53
圖4-7佈植後經700℃一小時退火之TEM影像………………………54
圖4-8實驗流程示意圖…………………………………………………55
圖4-9 SRIM模擬結果………………………………………………….56
圖4-10未退火試片之TEM影像與擇區繞射花樣……………………57
圖4-11經500℃一小時退火試片之TEM影像與擇區繞射花樣……58
圖4-12經700℃一小時退火試片之TEM影像與擇區繞射花樣……59
圖4-13經800℃五分鐘退火試片之TEM影像與擇區繞射花樣……60
圖4-14黑色圓點之HRTEM影像及nanobeam EDX分析…………..62
圖4-15未退火試片之XRD分析結果…………………………………64
圖4-16經500℃一小時退火試片之XRD分析結果…………………64
圖4-17經700℃一小時退火試片之XRD分析結果…………………65
圖4-18經800℃五分鐘退火試片之XRD分析結果…………………65
圖4-19不同退火條件下佈植區的平均鎳含量………………………..67
圖4-20未退火試片之鎳含量分佈曲線……………………………….68
圖4-21經700℃一小時退火試片之鎳含量分佈曲線………………..68
圖4-22經800℃五分鐘退火試片之鎳含量分佈曲線………………..69
圖4-23不同退火條件下佈植區鎳含量縱深曲線分佈圖…………….69
圖4-24佈植完未退火試片之高分辨影像…………………………….70
圖4-25經500℃一小時退火試片之高分辨影像……………………..71
圖4-26經700℃一小時退火試片之高分辨影像……………………..71
圖4-27經800℃五分鐘退火試片之高分辨影像……………………..72
圖4-28疊差密度計算流程示意圖…………………………………….73
圖4-29不同退火條件下試片之疊差密度……………………………..74
圖4-30不同退火條件下試片之載子濃度……………………………..75
圖4-31佈植前後試片之M-H曲線……………………………………77
圖4-32經700℃與800℃退火後試片之M-H曲線圖…………………77
圖4-33經800℃退火後試片之ZFC-FC曲線…………………………78
圖4-34經800℃退火後試片之ZFC-FC曲線放大圖…………………78

表目錄
表2-1氮化錳鎵稀磁半導體之相關研究及發展………………………20
表2-2氮化鐵鎵稀磁半導體之相關研究及發展………………………22
表2-3氮化鎳鎵稀磁半導體之相關研究及發展………………………23
表4-1各磁性金屬離子束電流值大小與所需佈植時間之比較………48
表4-2氮化鎵和氧化鋁基板的晶格常數與其不匹配度………………51
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