一種SiC基稀磁半導體薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種SiC基稀磁半導體薄膜及其制備方法，屬于新型半導體自旋電子學領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自旋電子器件是一種全新的電子器件，與傳統(tǒng)半導體電子器件相比，它能同時利用電子的電荷和自旋屬性，因此具有速度快、體積小、耗能發(fā)熱低及非易失性等優(yōu)點。稀磁半導體是制備自旋電子器件的理想材料，基于稀磁半導體材料，已經(jīng)設計出自旋場效應管、自旋發(fā)光二極管等一系列自旋電子器件。
[0003]SiC是第三代寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大，飽和電子迀移速率高，熱導率高等優(yōu)異的物理和化學性能，適應于大功率、高溫、高壓及抗輻射器件領(lǐng)域。作為潛在的SiC基稀磁半導體材料，以SiC為材料制得的自旋電子器件在高溫、高壓及大功率等環(huán)境中，具有更優(yōu)異的應用。
[0004]近幾年來，基于SiC基稀磁半導體材料主要是通過摻入雜質(zhì)粒子，特別是過渡金屬粒子來研究SiC材料的稀磁特性，例如CN101404198A公開在4H-SiC襯底中注入Fe離子以制備SiC稀磁半導體材料，通過這種方法獲得的SiC材料的稀磁強度較弱。研究發(fā)現(xiàn)SiC的稀磁特性與過渡金屬粒子、缺陷等有關(guān)聯(lián)。其中，粒子輻照可以在SiC結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生缺陷，通過調(diào)控輻射劑量、能量等可以較好地調(diào)控缺陷種類與濃度，從而獲得具有稀磁特性的SiC材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種SiC基稀磁半導體薄膜室溫鐵磁性的新型材料及其方法，提供SiC材料在自旋電子器件中的應用。
[0006]—方面，本發(fā)明提供一種制備SiC基稀磁半導體薄膜的方法，以一定劑量的碳粒子12C+對SiC薄膜材料進行輻照，即制得SiC基稀磁半導體薄膜。
[0007]較佳地，12C+輻照劑量為IX 113-1 X 1016cm—2。根據(jù)本發(fā)明，可以在SiC薄膜材料中產(chǎn)生足夠多的碳硅雙空位，且碳硅雙空位不會發(fā)生團聚。
[0008]較佳地，12C+輻照能量為50?300KeV，輻照過程在室溫下進行。根據(jù)本發(fā)明，可以使碳粒子進入薄膜且不破壞薄膜結(jié)構(gòu)。
[0009]較佳地，12C+輻照角度與所述SiC薄膜材料表面法線呈5?20°(最好為7° )。根據(jù)本發(fā)明，可以減少輻射時的溝道效應。
[0010]本發(fā)明中，所述輻照在所述SiC薄膜材料中產(chǎn)生了碳硅雙空位，通過調(diào)節(jié)12C+輻照劑量來調(diào)控碳硅雙空位的濃度和分布。根據(jù)本發(fā)明，可以易于調(diào)節(jié)制得的SiC基稀磁半導體薄膜的飽和磁化強度大小。
[0011]本發(fā)明中，所述輻照不改變所述SiC薄膜材料的組成和相。根據(jù)本發(fā)明，不破壞SiC薄膜材料的結(jié)構(gòu)，輻照前后均為SiC薄膜。
[0012]本發(fā)明中，所述SiC薄膜材料的制備方法可為化學氣相沉積法、分子束外延，液相外延方法中的至少一種，優(yōu)選為化學氣相沉積法。
[0013]較佳地，所述SiC薄膜材料的制備方法包括:
(1)將潔凈干燥的襯底放入反應腔體中，抽至腔體真空至<5.0 X 10—4Pa;
(2)通入H2和HCl混合氣體在1000?1200°C對襯底進行刻蝕；
(3)通入H2和C3H8混合氣體在1200-1300°C對襯底進行碳化；
(4)通入H2、C3H8和SiH4混合氣體在1300?1400°C生長一定時間即可得到SiC薄膜材料。
[0014]所述襯底可以是硅片、藍寶石襯底、碳化硅、或TiCx。
[0015]另一方面，本發(fā)明提供由上述方法制備的SiC基稀磁半導體薄膜，所述SiC基稀磁半導體薄膜中具有碳硅雙空位，所述SiC基稀磁半導體薄膜具有室溫鐵磁性。
[0016]本發(fā)明采用12C+對SiC薄膜進行粒子輻照，以此制備出SiC基稀磁半導體薄膜室溫鐵磁性能。通過本方法處理后的SiC薄膜，薄膜具有明顯的室溫鐵磁性，且其飽和磁化強度相較強，具有良好的潛在應用價值。本發(fā)明方法穩(wěn)定有效，可以在不破壞材料的前提下制備出一種SiC基稀磁半導體薄膜材料，這有利于自旋電子器件性能的提升和應用。
【附圖說明】
[0017]圖1為經(jīng)輻照劑量為IX 114Cnf2碳粒子輻照后的3C_SiC薄膜樣品的HRXRD圖譜，圖中顯示，除了襯底Si (004)衍射峰外，只存在3C-SiC的(200)及(400)峰位，這兩個峰的峰型高度對稱，且(200)峰強大于(400)峰強，表明通過化學氣相沉積法制得的3C-SiC薄膜具有良好的結(jié)晶質(zhì)量，且晶型單一；
圖2為經(jīng)輻照劑量為I X 114Cnf2碳粒子輻照后的3C-SiC薄膜樣品的PIXE圖譜，從質(zhì)子激發(fā)X射線光譜可知，制備3C-SiC薄膜及輻射過程中，均沒有引入外來雜質(zhì)，薄膜具有較高的純度；
圖3為經(jīng)輻照劑量為I X 1014cm—2碳粒子輻照后的3C-SiC薄膜樣品的正電子煙滅圖譜，由圖中可以看出，經(jīng)碳粒子輻照后在薄膜中產(chǎn)生了碳硅雙空位；
圖4為經(jīng)輻照劑量為I X 1014cm—2碳粒子輻照后的3C-SiC薄膜樣品的室溫磁滯回線，表明輻射后的3C-SiC薄膜具有室溫鐵磁性的特征，其飽和磁化強度為0.6099emu/cm3。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明采用碳粒子12C+對SiC薄膜材料進行輻照，以此制備SiC基稀磁半導體薄膜材料。另外，應理解，本發(fā)明也可采用其它高能粒子，只要選擇合適的能量和粒子輻照劑量，例如可以采用氫離子、氖離子或氬離子等惰性氣體離子對SiC薄膜材料進行輻照以制備SiC基稀磁半導體薄膜材料。
[0020]本發(fā)明中，所述的SiC薄膜材料是指包含SiC多型半導體中常見的幾種多型，如3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC多型。在一個示例中，所采用的SiC薄膜材料為3C-SiC薄膜材料。
[0021]本發(fā)明中，SiC半導體薄膜材料的厚度可大于2μπι以上，例如本文所使用的薄膜厚度為8μπι。采用這樣的厚度時，可以保證粒子輻照完全發(fā)生在SiC薄膜材料內(nèi)，材料的特性完全為SiC薄膜材料本身的屬性。
[0022]本發(fā)明中，SiC半導體薄膜材料可以是通過任何合適的方法制備的薄膜。其制備方法包括但不限于分子束外延、化學氣相沉積法、液相外延法的至少一種，優(yōu)選為化學氣相沉積法。
[0023]在一個示例中，采用化學氣相沉積法在襯底上制備3C_SiC薄膜材料。所述襯底例如是硅片、藍寶石襯底、碳化硅、TiCx。在沉積之前，襯底優(yōu)選為預先進行清洗干凈，清洗方法例如可采用濕化學法(例如標準的RCA工藝)。在一個示例中，硅襯底的清洗方法具體可包括:(I)將硅襯底放入氨水:雙氧水:去離子水=I: I: 5的混合溶液中清洗15min，然后用去離子水沖洗1min ; (2)將硅襯底放入鹽酸:雙氧水:去離子水=1: 1: 5的混合溶液中清洗15min，然后用去離子水中沖洗1min; (3)將硅襯底用高純他吹干。
[0024]在一個示例中，沉積可包括如下步驟。
[0025](I)將硅襯底放在石英舟和石墨板上，再將組合件放入石英腔體中。
[0026](2)將石英腔體本底真空抽至<5.0X 10—4Pa,分別進行刻蝕、碳化和外延生長過程?？涛g過程可以是通入H2和HCl混合氣體在1000-1200°C對襯底Si進行刻蝕。H2和HCl的體積比可為1: 0.25 %?0.80 %?？涛g時間可為3?15分鐘。碳化過程可以是通入H2和C3H8混合氣體在1200-1300°C對襯底Si進行碳化。H2和C3H8的體積比可為1:0.02%?0.08%。碳化時間可為5?20分鐘。
[0027](3)將石英腔體溫度升至1300_1400°C后，外延生長0.5?5h(例如3h)。生長氣氛為H2、C3H8和SiH4混合氣體，可包括HCl氣體，其中C/Si = 2.4?3.6。
[0028]采用碳粒子12C+對SiC薄膜材料進行輻照。輻照時，碳粒子輻照劑量可為IX 113?IX 1016cm—2。若碳粒子輻照劑量小于該范圍，則在薄膜中不會產(chǎn)生足夠多的碳硅雙空位;若碳粒子輻照劑量大于該范圍，則碳硅雙空位會發(fā)生團聚，從而形成空位團簇或宏觀尺寸空隙。
[0029]碳粒子輻照能量可為50?300KeV，優(yōu)選為lOOKeV。若碳粒子輻照能量小于該范圍，則碳粒子不易進入薄膜，無法產(chǎn)生室溫鐵磁性;若碳粒子輻照能量大于該范圍，則高能量的質(zhì)子會顯著破壞薄膜的結(jié)構(gòu)。
[0030]另外，本發(fā)明對輻射過程的環(huán)境溫度沒有特別限制，例如可在室溫下進行。
[0031]在輻照過程中，12C+輻照角度與SiC薄膜材料表面法線可呈5?20°(最好為7°)。例如調(diào)節(jié)輻照粒子的入射方向與SiC薄膜材料之間的角度。通過形成上述角度，可以減少輻射時的溝道效應。
[0032]圖3示出經(jīng)輻照劑量為IX 114Cnf2碳粒子輻照后的3C_SiC薄膜樣品的正電子煙滅圖譜，由圖中可以看出，經(jīng)碳粒子輻照后在薄膜中產(chǎn)生了碳硅雙空位。碳粒子輻照在薄膜