掺杂SiC稀磁半导体的结构、磁性和输运性能研究
本文关键词： SiC 元素掺杂 局域结构 磁性 输运性能 出处：《天津理工大学》2015年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：近年来,稀磁半导体(DMS)由于可同时利用电子的自旋和电荷性质开发新型电子器件而获得了极大关注,研究表明在禁宽带半导体中可获得室温铁磁性(RTFM),且其居里温度(Tc)随着带隙宽度的增加而增加。Si C作为宽禁带半导体之一,由于其良好的物理特性,在抗高温、高频率、大功率半导体器件应用方面具有巨大的应用潜力,但目前在Si C稀磁半导体的研究方面还不深入,因此开展Si C稀磁半导体的研究不论在理论上还是在应用上都具有重要意义。本文采用磁控溅射方法制备出了Ni单掺杂以及Ni/N、Ni/Al共掺杂Si C稀磁半导体薄膜并对其局域结构、磁性、输运性能进行了研究。研究了退火温度及Ni单掺杂浓度对Si C薄膜的结构、磁性和输运性能的影响。制备态薄膜退火后形成了3C-Si C晶体结构。800℃退火后,没有发现其中存在金属Ni和Ni相关的第二相,掺杂的Ni原子进入3C-Si C晶格并取代C位。1200℃退火后,薄膜的结晶质量明显提高,但有Ni2Si第二相析出。掺杂的Ni原子以Ni2+离子态存在于制备态和退火态薄膜中,所有薄膜都具有p型半导体导电特征。对于制备态和800℃退火态薄膜,其输运机制由Mott变程跃迁机制主导。对于1200℃退火态薄膜,在低温区其输运机制由Mott变程跃迁机制主导,在高温区由硬带跃迁机制主导。所制备的薄膜都具有室温铁磁性,并且随退火温度升高和Ni掺杂浓度增加都提高薄膜饱和磁化强度,其室温铁磁性是薄膜中的缺陷形成的束缚磁极子所导致。研究了退火温度及掺杂浓度对Ni、N共掺杂Si C薄膜的结构、磁性和输运性能的影响。制备态薄膜退火后形成了3C-Si C晶体结构。800℃退火态后,薄膜中不存在金属Ni/N和Ni/N相关的第二相。掺杂的Ni原子以进入3C-Si C晶格并取代C位。薄膜经过1200℃退火后,薄膜的结晶质量明显提高,但有Ni2Si第二相析出。N掺杂对3C-Si C晶体结构的形成有抑制作用。掺杂的Ni原子和N原子分别以Ni+2和N3-离子态存在于制备态和退火态薄膜中,N掺入使薄膜的导电类型由p型转变为n型。对于制备态薄膜,其输运机制由Mott变程跃迁机制主导。对于800℃退火态和1200℃退火态薄膜,在低温区其输运机制由Mott变程跃迁机制主导,在高温区其输运机制由硬带跃迁机制主导。N掺入使薄膜的载流子的局域化减弱,束缚磁极子有效半径变大,增强薄膜铁磁性。所有的薄膜都具有室温铁磁性,并且退火温度的升高和N掺杂浓度的提高都提高薄膜的饱和磁化强度,其室温铁磁性是薄膜中的缺陷形成的束缚磁极子和N与硅空位的相互作用导致的结果。研究了退火温度及掺杂浓度对Ni、Al共掺杂Si C薄膜的结构、磁性和输运性能的影响。制备态薄膜退火后形成了3C-Si C晶体结构。800℃退火后,没有发现其中存在金属Ni和Ni相关的第二相,掺杂的Ni原子进入3C-Si C晶格并取代C位。1200℃退火后,薄膜的结晶质量明显提高,但有Ni2Si第二相析出。在Al掺杂浓度高于2at%的1200°C退火态薄膜中出现了Al9Si第二相。Al掺杂对3C-Si C晶体结构的形成有稳定作用。掺杂的Ni原子以Ni+2离子态存在于制备态和退火态薄膜中。掺杂的Al原子在制备态薄膜中有极少部分以Al团簇存在,大部分已Al3+形式存在,对于退火态薄膜,Al团簇消失,Al原子以Al3+形式存在于薄膜中。所有薄膜都具有p型半导体导电特征,Al掺杂提高了空穴载流子浓度。但Al9Si第二相的析出使空穴载流子浓度有所下降,但仍比单掺Ni的空穴载流子高。对于制备态和800℃退火态薄膜,其输运机制由Mott变程跃迁机制主导。1200℃退火态薄膜,在低温区其输运机制由Mott变程跃迁机制主导,在高温区其输运机制由硬带跃迁机制主导。所有的薄膜都具有室温铁磁性,并且退火温度的升高和Al掺杂浓度的提高都提高薄膜的饱和磁化强度,其室温铁磁性是薄膜中的缺陷形成的束缚磁极子所导致。
[Abstract]:In recent years , thin magnetic semiconductor ( DMS ) has attracted great attention due to the simultaneous use of electron spin and charge properties to develop new electronic devices . In the preparation of annealed state thin films with Al doping concentration higher than 2 at % , the transport mechanism is dominated by Mott transition mechanism .
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.24
【参考文献】
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，本文编号：1517233
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