摻雜SiC稀磁半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、磁性和輸運(yùn)性能研究.pdf

1、近年來，稀磁半導(dǎo)體(DMS)由于可同時(shí)利用電子的自旋和電荷性質(zhì)開發(fā)新型電子器件而獲得了極大關(guān)注，研究表明在禁寬帶半導(dǎo)體中可獲得室溫鐵磁性(RTFM)，且其居里溫度(Tc)隨著帶隙寬度的增加而增加。SiC作為寬禁帶半導(dǎo)體之一，由于其良好的物理特性，在抗高溫、高頻率、大功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用方面具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前在SiC稀磁半導(dǎo)體的研究方面還不深入，因此開展SiC稀磁半導(dǎo)體的研究不論在理論上還是在應(yīng)用上都具有重要意義。
　　本文采

2、用磁控濺射方法制備出了Ni單摻雜以及Ni/N、Ni/Al共摻雜SiC稀磁半導(dǎo)體薄膜并對其局域結(jié)構(gòu)、磁性、輸運(yùn)性能進(jìn)行了研究。
　　研究了退火溫度及Ni單摻雜濃度對SiC薄膜的結(jié)構(gòu)、磁性和輸運(yùn)性能的影響。制備態(tài)薄膜退火后形成了3C-SiC晶體結(jié)構(gòu)。800℃退火后，沒有發(fā)現(xiàn)其中存在金屬Ni和Ni相關(guān)的第二相，摻雜的Ni原子進(jìn)入3C-SiC晶格并取代C位。1200℃退火后，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量明顯提高，但有Ni2Si第二相析出。摻雜的Ni原子

3、以Ni2+離子態(tài)存在于制備態(tài)和退火態(tài)薄膜中，所有薄膜都具有p型半導(dǎo)體導(dǎo)電特征。對于制備態(tài)和800℃退火態(tài)薄膜，其輸運(yùn)機(jī)制由Mott變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)。對于1200℃退火態(tài)薄膜，在低溫區(qū)其輸運(yùn)機(jī)制由Mott變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)，在高溫區(qū)由硬帶躍遷機(jī)制主導(dǎo)。所制備的薄膜都具有室溫鐵磁性，并且隨退火溫度升高和Ni摻雜濃度增加都提高薄膜飽和磁化強(qiáng)度，其室溫鐵磁性是薄膜中的缺陷形成的束縛磁極子所導(dǎo)致。
　　研究了退火溫度及摻雜濃度對Ni、N共摻雜

4、SiC薄膜的結(jié)構(gòu)、磁性和輸運(yùn)性能的影響。制備態(tài)薄膜退火后形成了3C-SiC晶體結(jié)構(gòu)。800℃退火態(tài)后，薄膜中不存在金屬Ni/N和Ni/N相關(guān)的第二相。摻雜的Ni原子以進(jìn)入3C-SiC晶格并取代C位。薄膜經(jīng)過1200℃退火后，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量明顯提高，但有Ni2Si第二相析出。N摻雜對3C-SiC晶體結(jié)構(gòu)的形成有抑制作用。摻雜的Ni原子和N原子分別以Ni+2和N3-離子態(tài)存在于制備態(tài)和退火態(tài)薄膜中，N摻入使薄膜的導(dǎo)電類型由p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型。對

5、于制備態(tài)薄膜，其輸運(yùn)機(jī)制由Mott變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)。對于800℃退火態(tài)和1200℃退火態(tài)薄膜，在低溫區(qū)其輸運(yùn)機(jī)制由Mott變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)，在高溫區(qū)其輸運(yùn)機(jī)制由硬帶躍遷機(jī)制主導(dǎo)。N摻入使薄膜的載流子的局域化減弱，束縛磁極子有效半徑變大，增強(qiáng)薄膜鐵磁性。所有的薄膜都具有室溫鐵磁性，并且退火溫度的升高和N摻雜濃度的提高都提高薄膜的飽和磁化強(qiáng)度，其室溫鐵磁性是薄膜中的缺陷形成的束縛磁極子和N與硅空位的相互作用導(dǎo)致的結(jié)果。
　　研究了退火

6、溫度及摻雜濃度對Ni、Al共摻雜SiC薄膜的結(jié)構(gòu)、磁性和輸運(yùn)性能的影響。制備態(tài)薄膜退火后形成了3C-SiC晶體結(jié)構(gòu)。800℃退火后，沒有發(fā)現(xiàn)其中存在金屬Ni和Ni相關(guān)的第二相，摻雜的Ni原子進(jìn)入3C-SiC晶格并取代C位。1200℃退火后，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量明顯提高，但有Ni2Si第二相析出。在Al摻雜濃度高于2at％的1200℃退火態(tài)薄膜中出現(xiàn)了Al9Si第二相。Al摻雜對3C-SiC晶體結(jié)構(gòu)的形成有穩(wěn)定作用。摻雜的Ni原子以Ni+2離子

7、態(tài)存在于制備態(tài)和退火態(tài)薄膜中。摻雜的Al原子在制備態(tài)薄膜中有極少部分以Al團(tuán)簇存在，大部分已Al3+形式存在，對于退火態(tài)薄膜，Al團(tuán)簇消失，Al原子以Al3+形式存在于薄膜中。所有薄膜都具有p型半導(dǎo)體導(dǎo)電特征，Al摻雜提高了空穴載流子濃度。但Al9Si第二相的析出使空穴載流子濃度有所下降，但仍比單摻Ni的空穴載流子高。對于制備態(tài)和800℃退火態(tài)薄膜，其輸運(yùn)機(jī)制由Mott變程躍遷機(jī)制主導(dǎo)。1200℃退火態(tài)薄膜，在低溫區(qū)其輸運(yùn)機(jī)制由Mott