氢化物气相外延生长锰掺杂的氮化镓的性质研究

氢化物气相外延生长锰掺杂的氮化镓的性质研究
【摘要】我们采用氢化物气相外延方法生长了锰掺杂的氮化镓薄膜。

使用X光衍射仪（XRD），喇曼散射仪来研究样品的性质。

在锰掺杂氮化镓薄膜的XRD 谱里，可以发现有镓锰和镓锰氮化合物成分。

除了氮化镓的峰，锰掺杂样品的喇曼谱上在670cm-1处有一个峰，在150，300and450cm-1附近分别有一个展宽结构。

我们认为在150，300和670cm-1处的三个模式是由于无序激活喇曼散射引起的，在450cm-1处的模式是镓-锰键的局域振荡引起的。

【关键词】氢化物气相外延锰掺杂氮化镓
目前，铁磁半导体由于在自旋电子学方面有潜在的应用价值而引起人们的关注。

普通III-V族半导体在进行锰（Mn）掺杂后就能出现铁磁性，因此研究人员对此进行了广泛的研究。

在这些III-V族材料中，氮化镓（GaN）受到特别的关注。

Dietl.T等人预计Mn掺杂的GaN的居里温度可以超过室温[1]。

对GaN材料进行Mn掺杂可以采用原位生长或是离子注入方法。

据报道，研究人员采用多种生长方法来进行Mn掺杂，包括再升华方法（the resublimation method）[2]、氨热化方法（the ammonothermal method）[3]、金属有机物化学气相淀积方法（the metalorganic chemical vapor deposition）[4]和分子束外延方法（the molecular beam epitaxy）[5]等。

但据我们所知，还没有采用氢化物气相外延方法（hydride vapor phase epitaxy，以下简称为氢化物外延）生长Mn掺杂的GaN的报道。

在本文中，我们报道了用这种方法生长的Mn掺杂的GaN薄膜的一些性质：使用X光衍射仪来研究薄膜的晶体结构，喇曼散射仪来研究薄膜的局域结构。

我们用氢化物外延在（0001）晶向的蓝宝石上生长了两种GaN薄膜，一种是非故意掺杂薄膜，另一种是Mn掺杂的薄膜。

生长过程中，分别用金属镓（Ga），金属Mn和氨气作为Ga源、Mn源和氮（N）源；使用氮气作为氨气和氯化氢气体的载气；分别用氯化氢气体和氮气输运Ga和Mn到生长区域。

两种金属源都保持在850℃。

所有的样品都在1050℃下淀积。

部分样品在氨气气氛下进行了10分钟的退火处理，温度范围是从750到1100℃。

未掺杂和Mn掺杂的样品的X射线衍射谱如图1所示。

我们可以看到两种样品的衍射谱中都有GaN（0002）和衬底材料的衍射峰，但在Mn掺杂的样品的谱线中，还有一些其他化合物的衍射峰。

这些新的化合物都是和Mn元素有关的，包括镓锰（GaMn）和镓锰氮（GaMnN）。

从X光衍射峰的强度来估计，新的化合物在整个薄膜中的含量不超过7%。

在GaN薄膜中存在含Mn的新相，说明我们已经成功地将Mn掺入了GaN中。

在Mn掺杂的样品谱线中还发现了GaN （11-20）衍射峰，而这个衍射峰在未掺杂的样品谱线中是没有出现的。

这显然是由于Mn原子的掺入引起的，但具体过程还需要进一步研究。

喇曼散射测量在室温下进行。

使用氩离子激光器的488nm线作为光源。

测量时采用背散射模式，喇曼谱用电荷藕合器件（CCD）作探测器的微喇曼仪。

图2显示了未掺杂和Mn掺杂样品的喇曼谱。

在谱中，可以看到代表E2（高）和
A1纵光学波这两个模式的谱线。

根据喇曼选择定则，具有纤锌矿结构的半导体材料的喇曼谱都应该有这两个模式。

不过，从图中可以看到，Mn掺杂样品的A1模式明显不对称，这是和未掺杂样品不一样的。

在Mn掺杂的样品的谱线中，还能看到一个新的谱线出现在670cm-1处（在图2中用“a”标注）和三个展宽结构分别出现在150，300和450cm-1的位置（在图2中分别用“b”、“c”和“d”来表示）。

Mn掺杂的样品在不同温度退火后，其喇曼谱和没有退火的样品几乎是一样的。

一般认为，150，300和670cm-1这三个模式是由于晶格中的无序结构引起的[6]。

我们的样品中的无序结构显然是由于Mn的掺入引起的。

在喇曼散射过程中，高态密度的缺陷的出现会打破波矢的守恒，因此在喇曼谱中可以观察到整个布里渊区内的声子散射。

因而，喇曼谱反映了整个声子态密度。

这一现象被称为无序激活喇曼散射（DARS）。

W.Gbicki小组通过理论计算得出了声子态密度值，和实验上喇曼谱反映的结果很一，说明无序激活喇曼散射的理论是合理的[7]。

在450cm-1处的模式和蓝宝石衬底的模式不同，而且它位于声学声子和光学声子的带隙（从300到530cm-1）之间，因此它不能用无序激活喇曼散射的理论来解释。

位错能够在高温下存在并生长，因而能够在声子带隙中引入新的模式。

但是450cm-1的模式在750到1100oC的温度范围内退火后并没有发生变化。

因此它也不是由位错引起的。

粗略的估计，GaN中Mn局域振动模的频率和有效质量有如下关系[8]：
，
其中，是折合质量。

假设Mn元素占据了GaN中的N位，我们利用ωGaN=ω[A1（LO）]=735cm-1这一模式可以得到Ga-Mn振动模的频率在455cm-1。

因此我们认为450cm-1模式是Ga-Mn键的振动模式。

总之，我们采用氢化物气相外延方法生长了锰掺杂的氮化镓薄膜。

在Mn掺杂GaN薄膜的XRD谱里，可以发现有镓锰和镓锰氮化合物成分。

除了GaN的峰，Mn掺杂样品的喇曼谱上在670cm-1处有一个峰，在150，300and450cm-1附近分别有一个展宽结构。

我们认为在150，300和670cm-1处的三个模式是由于无序激活喇曼散射引起的，在450cm-1处的模式是Ga-Mn键的局域振荡引起的。

参考文献：
[1]T. Dietl，H.ohno，F. Matsukura，J. Cibert and D. Ferrand，Science 287：1019 （2000）.
[2]W. Gbicki，J.Strzeszewski，and G. Kamler et al.，Appl. Phys. Lett. 76（26）：3870 （2000）.
[3]M. Zajac，R. Dora dziński，and J. Gosk et al，Appl. Phys. Lett. 78（9）：1276 （2001）.
[4]R. Y. Korotkov，J. M. Gregie，and B. W. Wessels，Appl. Phys. Lett. 80
（10）：1731 （2002）.
[5]K. H. Kim，K. J. Lee，D. J. Kim，C. S. Kim，H. C. Lee，C. G. Kim，S. H. Yoo，H. J. Kim and Y. E. Ihm，J. Appl. Phys. 93（10）：6793 （2003）.
[6]W.Limmer，W.Ritter，R.Sauer， B. Mensching， C. Liu and B. Rauschenbach，Appl. Phys.Lett. 72（20）：2589 （1998）.
[7]W.Gbicki，L.Adamowicz，J. Strzeszewski，S.Podsiado，T. Szyszko and G. Kamler，Materials Science and Engineering B82：182 （2001）.
[8]A.Kaschner，H. Siegle，G.Kaczmarczyk，M.Straburg，A. Hoffmann，C. Thomsen，U. Birkle，S.Einfeldt and D.Hommel，Appl. Phys. Lett. 74（22）：3281 （1999）.。