一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，尤其是一種用激光分子束外延(LMBE)方法在藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上沉積，然后再通過(guò)原位退火的方法制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]稀磁半導(dǎo)體(Diluted Magnetic Semiconductor, DMS)指的是化合物半導(dǎo)體中的部分陽(yáng)離子被具有磁性的過(guò)渡族金屬(如Fe、Co、N1、Mn等)或稀土金屬(如Sm、Eu、Gd、Tb等)離子取代而形成的一類(lèi)新型半導(dǎo)體材料，因?yàn)閾饺氲拇判噪x子濃度不高，所以磁性比較弱，因而叫做稀磁半導(dǎo)體。稀磁半導(dǎo)體材料兼具有半導(dǎo)體材料和磁性材料的性質(zhì)，在這類(lèi)材料中，可以同時(shí)利用電子的電荷和電子自旋兩個(gè)自由度，因此為新型自旋器件的研制提供了更廣闊的空間。
[0003]在不加外磁場(chǎng)時(shí)，DMS材料表現(xiàn)出與一般半導(dǎo)體材料相似的性質(zhì)，并且其禁帶寬度和晶格常數(shù)可以隨摻入的磁性離子的濃度的變化而變化，通過(guò)能帶剪裁工程可使這類(lèi)材料應(yīng)用于各種半導(dǎo)體器件。在外磁場(chǎng)中，DMS材料會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)。由于磁性離子的固有磁矩與能帶中電子自旋磁矩之間存在交換作用，從而導(dǎo)致了許多新奇的物理現(xiàn)象，例如磁致絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變、反常霍爾效應(yīng)、束縛磁極化子、巨塞曼分裂、巨法拉第效應(yīng)和負(fù)磁阻效應(yīng)等。這些新奇的物理特性為一些新技術(shù)的發(fā)展提供了條件，使其在磁感應(yīng)器、高密度非易失性存儲(chǔ)器、光隔離器、半導(dǎo)體激光器和自旋量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，已成為材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。
[0004]可用于半導(dǎo)體器件研發(fā)的稀磁半導(dǎo)體薄膜材料，必須具有高于室溫的居里溫度(Tc)并且能與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝兼容。由于GaN半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，所以目前廣泛地被用于制備稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的基質(zhì)材料，GaMnN薄膜就是基于GaN半導(dǎo)體材料的一種稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都證明了 GaMnN薄膜材料具有高于室溫的鐵磁性，是一種非常有發(fā)展前景的稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。但是，目前在制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料方面有許多困難。傳統(tǒng)制備薄膜材料的方法主要有分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等，但這些方法都是平衡生長(zhǎng)法，摻雜效率比較低。而較高的摻雜濃度(> 5%)是實(shí)現(xiàn)新型稀磁半導(dǎo)體功能器件所必需的。另外，上述方法還存在設(shè)備維護(hù)成本高、原材料價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)以及尾氣處理過(guò)程復(fù)雜等弊端。本發(fā)明提供了一種非平衡生長(zhǎng)方法，具有摻雜效率高、制備成本低、生產(chǎn)周期短以及尾氣處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，本方法克服了傳統(tǒng)制備薄膜的一些缺點(diǎn)，能夠在藍(lán)寶石襯底上制備出高質(zhì)量的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案可分為三步: 第一步，利用激光分子束外延方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層；
第二步，利用激光分子束外延方法在帶有GaN緩沖層的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料；
第三步，將原生的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料在生長(zhǎng)室內(nèi)進(jìn)行原位退火。
[0006]所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，第一步中所用的靶材是高純GaN粉末經(jīng)過(guò)研磨，壓片，燒結(jié)，而制成的陶瓷靶。其直徑為30 mm，厚度為4 mm。所用的襯底為(0001)方向的藍(lán)寶石晶片。在開(kāi)始制備薄膜之前，用無(wú)水乙醇、丙酮和去離子水對(duì)襯底材料進(jìn)行多次超聲振蕩清洗。
[0007]所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，第二步中所用的靶材是高純GaN粉末和高純Mn粉末經(jīng)過(guò)研磨，壓片，燒結(jié)而制成的GaMnN陶瓷靶，其中Mn的含量為Iat.%?10 at.%，革巴的直徑為30 _，厚度為4 mm。
[0008]所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，第一步和第二步中，所用激光器為KrF準(zhǔn)分子激光器，激光能量設(shè)定為150?250 mJ/Puls，脈沖頻率為5 Hz0在生長(zhǎng)過(guò)程中，襯底溫度保持在600°C?800°C，靶和襯底的距離保持在4 cm?7 cm,生長(zhǎng)室內(nèi)的氮?dú)鈮簭?qiáng)保持在0.1 Pa?10 Pa。
[0009]所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，步驟3中向生長(zhǎng)室通入高純氨氣，待氨氣壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓開(kāi)始升高襯底溫度，使其在高溫下保持一段時(shí)間，進(jìn)行原位退火。退火完畢，關(guān)閉襯底加熱裝置，最后向生長(zhǎng)室通入高純氮?dú)猓康氖桥懦隼锩娴陌睔?，將尾氣通入洗氣瓶以吸收掉有害氣體。典型的退火溫度為900°C?1000°C，典型的退火時(shí)間為10 min?30 min。
[0010]本發(fā)明所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法具有摻雜效率高、制備成本低、生產(chǎn)周期短以及尾氣處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，它克服了傳統(tǒng)薄膜制備技術(shù)中存在的摻雜效率低、制備成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)以及尾氣處理復(fù)雜等缺點(diǎn)。本發(fā)明制備的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料具有結(jié)晶質(zhì)量好、薄膜厚度均勻、表面粗糙度低、室溫鐵磁性等特點(diǎn)，可應(yīng)用于新型稀磁半導(dǎo)體功能器件的研制。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是激光分子束外延設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是激光分子束外延設(shè)備生長(zhǎng)室的示意圖；
圖3是所制備的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料典型的X射線(xiàn)衍射圖；
圖4是所制備的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料典型的表面形貌圖；
圖5是所制備的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料典型的磁滯回線(xiàn)圖。
[0012]圖中I進(jìn)樣室；2傳遞桿；3閥門(mén)；4閥門(mén)；5生長(zhǎng)室；6真空系統(tǒng)；7透鏡；8入射激光；9電機(jī)；10襯底托；11觀察窗；12可換位靶托；13流量計(jì)；14電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]請(qǐng)同時(shí)參閱圖1和圖2，下面結(jié)合具體生長(zhǎng)工藝進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)特征。
[0014](I)在制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料之前，先將襯底用丙酮超聲清洗兩次，每次10分鐘，每次清洗后都用去離子水沖洗2分鐘左右，然后用乙醇超聲清洗10分鐘，最后用去尚子水沖洗干凈，烘干備用。
[0015](2)將GaN陶瓷靶通過(guò)進(jìn)樣室I的閥門(mén)3放到傳遞桿2上。開(kāi)啟真空系統(tǒng)6的機(jī)械泵，當(dāng)生長(zhǎng)室5內(nèi)的壓強(qiáng)到達(dá)10 Pa以下時(shí)，開(kāi)啟真空系統(tǒng)6的分子泵，抽取4小時(shí)左右，系統(tǒng)背景真空即可達(dá)到5X 10 5 Pa以下。然后借助傳遞桿2通過(guò)閥門(mén)4將GaN陶瓷靶放入到生長(zhǎng)室5內(nèi)的可換位靶托12的一個(gè)靶位上，操作過(guò)程中可以通過(guò)觀察窗11進(jìn)行觀察。用同樣的方法將GaMnN陶瓷靶放到可換位靶托12的另一個(gè)靶位上。再用同樣的方法將準(zhǔn)備好的襯底放入襯底托10上。靶和襯底間的距離保持為5cm。
[0016](3)打開(kāi)襯底托10上的襯底加熱裝置，待襯底溫度達(dá)到700°C后通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)13向生長(zhǎng)室通入高純氮?dú)?，將氮?dú)獗尘皦簭?qiáng)調(diào)到1.5 Pa。
[0017](4)撥動(dòng)可換位靶托12使GaN陶瓷靶正對(duì)襯底托10。調(diào)節(jié)光路，使入射激光8通過(guò)透鏡7能夠以45°角入射到GaN靶心上，開(kāi)始沉積GaN緩沖層，沉積時(shí)間為2 min,緩沖層厚度約為20 nm。制備過(guò)程中電機(jī)9和電機(jī)14分別帶動(dòng)襯底托10和可換位靶托12以相反的方向繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為7 r/min。這樣可以使制備的薄膜厚度均勻。
[0018](5)撥動(dòng)可換位靶托12使GaMnN陶瓷靶正對(duì)襯底托10。用步驟(4)所述的方法開(kāi)始沉積GaMnN薄膜，沉積時(shí)間為45 min。
[0019](6)薄膜生長(zhǎng)完畢，關(guān)閉真空系統(tǒng)6，向生長(zhǎng)室5內(nèi)通入高純氨氣。待氨氣壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)大氣壓，開(kāi)始升高襯底溫度使其在950°C下保持25 min，進(jìn)行原位退火。退火完畢，關(guān)閉襯底加熱裝置，向生長(zhǎng)室通入高純氮?dú)庖耘懦锩娴陌睔猓瑢⑽矚馔ㄈ胂礆馄恳晕盏粲泻怏w。退火后的樣品在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下自然冷卻。
[0020]按照上述技術(shù)路線(xiàn)制備的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料具有較好的結(jié)晶質(zhì)量和表面形貌，同時(shí)具有室溫鐵磁性。X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)表明GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)屬于纖鋅礦結(jié)構(gòu)，如圖3所示。原子力顯微鏡測(cè)試表明，上述GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料具有較好的表面形貌，其表面粗糙度約為1.31nm，如圖4所示。超導(dǎo)量子干涉儀測(cè)試表明，上述GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料具有室溫鐵磁性，其磁滯回線(xiàn)如圖5所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征在于技術(shù)方案可分三步:第一步，利用激光分子束外延方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層；第二步，利用激光分子束外延方法在帶有GaN緩沖層的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料；第三步，將原生的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料在生長(zhǎng)室內(nèi)進(jìn)行原位退火。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征在于用激光分子束外延方法在藍(lán)寶石襯底上制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征在于第一步先生長(zhǎng)GaN緩沖層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征在于第二步生長(zhǎng)GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征在于第三步將原生的GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料在生長(zhǎng)室內(nèi)進(jìn)行原位退火。
【專(zhuān)利摘要】稀磁半導(dǎo)體薄膜材料中會(huì)出現(xiàn)很多新奇的物理性質(zhì)，而這些新奇的物理性質(zhì)為新型自旋器件的研制提供了更廣闊的空間，使其在磁感應(yīng)器、高密度非易失性存儲(chǔ)器、光隔離器、半導(dǎo)體激光器和自旋量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，已成為材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)制備薄膜材料的方法有分子束外延法和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積等，它們都是平衡生長(zhǎng)法，其弊端在于摻雜效率低、設(shè)備維護(hù)成本高、原材料價(jià)格昂貴、生產(chǎn)周期長(zhǎng)以及尾氣處理過(guò)程復(fù)雜等。本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種制備GaMnN稀磁半導(dǎo)體薄膜材料的方法，具有摻雜效率高、制備成本低、生產(chǎn)周期短以及尾氣處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類(lèi)】C23C16/56, H01F41/22, C23C16/34, C23C16/48
【公開(kāi)號(hào)】CN105018902
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410159218
【發(fā)明人】高興國(guó)
【申請(qǐng)人】齊魯工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2014年4月21日