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1、xxxx 学院毕业论文开题报告论文题目 Mn 掺杂的 Ge 量子环的电磁特性研究 院 系 数理学院 专 业 应用物理 学生姓名 X XX 学 号 XXXXXXXXX 指导教师 xxx 2014 年 2 月 10 日开题报告填写要求1开题报告应在毕业论文工作前期内完成，经指导教师签署意见后方可进行论文正文写作；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3有关年、月、日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“200
2、6年9月25日”或“2006-09-25”。1研究的背景、目的及意义硅(Si)是一种重要的半导体材料。由于具有比硅（Si）材料高的电子和空穴迁移率以及与硅工艺兼容等优点，与 Si 相比，Ge 具有较小的玻尔半径，较小的禁带宽度，同时与 Si 基半导体工业匹配，其低维结构具有显著的量子尺寸效应和量子隧穿效应， 。这些效应可用于制备工作电流阈值低、高速、低功耗器件的光电子器件 ，所以 Ge 基半导体本身就是新型半导体材料与器件的研究热点。现在，人们通过掺入铁磁性或过渡性金属元素，如 Mn、Fe、Co 等， Ge 形成高温、性能优良的稀磁半导体。稀磁性半导体（Diluted Magnetic Sem
3、iconductors,简称 DMS）是指：带有磁性的过渡金属或稀土金属离子低浓度掺杂，替代半导体中非磁性阳离子后形成的一类带磁性的半导体材料。稀磁半导体结合了半导体的电荷输运特性和磁性材料的信息存贮特性，是制备自旋电子器件和磁电子器件的重要材料。对于稀磁半导体材料的研究已经引起了人们很大的关注。目前研究最广泛理解最深入的稀磁半导体是 A1-X MnxB 和 A1-xMn xB , 其中A ,B ,A ,B 分别代表, , , 族元素，Mn 替代其中的, 族元素。基于 Si 或 Ge 的稀磁半导体容易实现与当前半导体工业的集成而具有更广泛的实用价值。近几年来，陆续报道了一些关于 Ge 基 DM
4、S 材料的研究结果。首先，在 2001 年，Diet 等人运用近似场理论分析稀磁铁磁性起源，他们认为它是因为 p 型材料中存在退（弱）局域化的空穴媒介起作用产生的。他们考虑了体材料中的载流子-媒介交换相互作用是各向异性的。假设被掺杂的族半导体是电荷传输绝缘体，并且不适用于 d 层电子的电荷传输；同时假设自旋与自旋的耦合是一种长程相互作用，采用平均场近似。磁性 Mn 离子提供了局域化的自旋，于此同时族半导体原子可以作为提供空穴的受主。对于特定的族半导体、空穴浓度及掺杂（Mn）浓度，由掺杂后材料中铁磁性相互作用以及反铁磁性相互作用相互竞争决定其居里温度。得到居里温度与 Mn 离子浓度成比例。次年P
5、ark 等人报道了分子束外延法制备的 MnxGe1-x 薄膜，其居里温度与 Mn 浓度呈线形关系，居里温度在 25116K 范围内随 Mn 浓度的增加而升高。Subglae Cho 等人报道了掺杂 Mn 浓度为 6%的 Ge 单晶的铁磁特性，居里温度达到了 285K。Franco DOrazio 等人报道了 Mn 注入 Ge 单晶的磁特性，发现了接近室温的磁滞现象。还有一种 Ge 的杂和结构 Ge:Mn 表现出了接近室温的铁磁特性和磁电阻现象，认为是由于 Mn 相关的铁磁性第二相引起的。 而且这类材料做成的器件会有更小器件尺寸、更快运算速度、更低功耗、且存在非易失性，在半导体集成电路、高密度非
6、易失性存储器、磁感应器、自旋量子计算机和光隔离器半导体激光器等领域蕴涵着巨大的潜在应用前景。简言之：它引入电子自旋，兼备半导体和磁性的双重特性，在半导体物理和磁性物理之间架起了一道桥梁。然而基于 Ge 基的 DMS 的研究还很不充分。我们研究的课题是 “Mn 掺杂的 Ge 量子环的电磁特性研究” ，目的在于进一步研究 Mn 离子掺杂到 Ge 晶体中对其的电磁特性的影响。 2主要研究内容和预期目标我们主要研究族半导体 Ge 中掺杂磁性过渡金属 Mn 的电磁特性。首先我们应用等离子体化学气相沉积在 n-Si 衬底上沉积单分散的 Ge 量子环薄膜，再利用磁控溅射法对量子环进行 Mn 掺杂，然后再原位
7、退火，得到稀磁 MnxGe1-x 量子环薄膜。通过扫描电子显微镜（SEM）观察了退火前后样品表面形貌变化；并用霍尔效应和超导量子干涉仪（SQUID）观察样品的掺杂浓度和电磁学特性。Ge 量子环因为具有因具有特殊的形貌和量子效应等特性而称为低微纳米材料研究的一个重要课题，Ge/Si 材料具有较大的晶格失配，在 MBE、CVD 等自组织生长过程中，因其弹性应变，较易形成二维、三维的 SiGe 纳米管、纳米环、纳米螺绕环等。Ge纳米结构( 纳米晶体、量子点、 SiGe 量子阱)具有显著的量子尺寸效应、量子隧道效应等奇异特性，已引起研究人员的广泛兴趣。除此之外，纳米环还具有特殊的几何形貌、力学及电磁特
8、性，从而在纳米弹簧、电学力学传感器以及磁场探测器方面具有潜在的应用前景，且与当前先进的半导体工业相兼容，使其具有更广泛的实际应用价值。对 Ge 纳米环进行 Mn 稀磁掺杂，可使其光、电、磁特性发生巨大变化，有望实现高效率光电子器件和新型稀磁半导体自旋电子器件。因此，以平面 Ge 纳米量子环为研究对象，采用化学气相沉积方法，在其生长过程中实施 Mn 掺杂，得到杂质分布均匀的稀磁 Ge 纳米量子环，探究稀掺杂技术和方法，实现 Ge 纳米环高浓度的稀磁掺杂和室温居里温度，探究纳米环稀磁掺杂机理。应用扫描电镜观察 Ge 量子环薄膜的表面形貌，研究与电子自旋相关的电、磁特性，可极大地促进纳米自旋电子器件
9、的发展，实现其在光电子领域及信息技术方面的广泛应用。3拟采用的研究方法、步骤本实验采用 CKJ500D 型多靶磁控溅射系统制备 Ge 纳米晶体。该磁控溅射系统由高真空系统、气体质量流量系统、多靶磁控系统和电源系统。首先我们应用等离子体化学气相沉积在 n-Si 衬底上沉积单分散的 Ge 量子环薄膜，再利用磁控溅射法对量子环进行Mn 掺杂，然后再原位退火，得到稀磁 MnxGe1-x 量子环薄膜。实验中用到的耗材主要有：n-Si(100)基衬底、GeH 4、SiH 4、Ar气、Ge靶、Mn靶以及纳米级Ni粉。其制备过程如图2.3所示：其中a）为原始衬底， b）为PECVD 镀锗膜后 c）为磁控镀锰源
10、后的稀磁Ge l-xMnx半导体薄膜。衬底清洗：首先应用丙酮和酒精分别超声清洗十分钟，以去除表面有机物。然后，在80的HCl (5%)和HF (1%)的溶液中分别浸泡5分钟，以去除表面氧化物和其他杂质。最后，用去离子水将硅片冲洗干净、氮气吹干。沉积前先将样品在500 C下等离子氢环境中处理10min。沉积Ge膜：检查 PECVD阀门关闭情况，水循环、电源打开，打开机盖将涂有纳米级Ni粉的Si衬底放入 PECVD系统沉积室，盖上机盖，利用机械泵、分子泵将真空室本底真空抽至7 10-5Pa，衬底温度达到300后，关闭抽气系统，打开机械泵、油扩散泵抽气系统，开始通入反应气体GeH 4、SiH 4与A
11、r气（ SiH4:GeH4:Ar=2:1:20） ，调节气体流量恒定在20 sccm；调节气压控制在50 Pa。之后打开射频，设定功率为50W ，沉积两分钟。关射频，关闭SiH 4气路，调节 GeH4:Ar=1:9，气压仍稳定在50Pa，再次打开射频，功率调节为50W ，沉积30 分钟后在800下退火，以便Ge原子进一步渗入Ge/Si 层。按仪器说明关闭射频，气路，加热系统。待样品冷却后，取出样品，关闭PECVD系统。沉积Mn离子：将镀完Ge 膜的Si片放入磁控溅射仪，在 Ar环境中用磁控溅射法对Ge进行高纯Mn掺杂10min，沉积气压为1Pa，功率为 35W，Ar气气流20sccm。 掺杂后
12、在Ar环境中700温度下热处理10min，快速退火（RTA）修复一些损坏。待冷却至室温后取出样品，观察其表面结构形貌并测试样品的电磁学特性。4主要参考文献1 M. Huang, C. Boone, M. Roberts, et al, Nanomechanical Architecture of Strained Bilayer Thin Films: From Design Principles to Experimental Fabrication J, Adv. Mater. 2005，17, 2860-2864,.2 L. Zhang, Elisabeth Ruh, D. Grtzma
13、cher, et al, Anomalous Coiling of SiGe/Si and SiGe/Si/Cr Helical Nanobelts J, Nano. Lett., 2006, V. 6, 1311-1317,.3 G.A. Medvedkin , T. Ishibashi , T. Nishi et al，Room Temperature Ferromagnetism in Novel Diluted Magnetic Semiconductor Cd1-xMnxGeP2 J， Jpn. J. Appl. 2000, 39 949-951.4 S. Cho, S. Choi,
14、 G. Cha, et al, Room Temperature Ferromagnetism in (Zn1-xMnx)GeP2 SemiconductorsJ，Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 257203. 5 S. Cho, S. Choi, S. C. Hong, et al, Ferromagnetism in Semiconductor:Mn-doped Ge J, Phys.Rev. B, 2002, 66: 033303, 6 刘力锋, 陈诺夫, 尹志岗, 杨霏, 周剑平, 张富强, Mn 注入 n 型 Ge 单晶的特性研究J , 功能材料与器件学报, 2
15、005, V. 11(2), 15-18,.7邓宁,王吉林,黄文滔等.多层 Ge 量子点的生长及其光学特性J.半导体学报, 2003, 24(9):951-9548Si111-(77)表面上 Ge 量子点的自组织生长 J.物理学报,2002, 51(2):296-299.9 李传波,毛容伟,左玉华等 .微腔调制常温 Ge 量子点光致发光特性J.半导体学报,2005,26(增刊):20-2310 廖家欣,李西南,周庆华.GeSi 量子点的发光特性研究J.长沙电力学院学报,2004, 19(2):808311 黄伟其,吕泉,张荣涛等.硅锗薄膜上量子点的受激发光 J.光学学报,2010, 30(4):10881095具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）1. 2011 年 11 月 21 日-2 月 14 日：下达毕业论文任务书，指导教师向学生讲授论题的状况和要求等；2. 2012 年 2 月 15 日-3 月 11 日：学生完成开题报告，指导教师修改和审定学生论文开题报告；3. 2012 年 3 月 11 日-6 月 3 日：学生按开题报告展开毕业论文实验，
