一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，特别是指一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，尤其是一种用激光分子束外延(LMBE)方法在蓝宝石(Al2O3)衬底上沉积，然后再通过原位退火的方法制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法。
【背景技术】
[0002]稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductor, DMS)指的是化合物半导体中的部分阳离子被具有磁性的过渡族金属(如Fe、Co、N1、Mn等)或稀土金属(如Sm、Eu、Gd、Tb等)离子取代而形成的一类新型半导体材料，因为掺入的磁性离子浓度不高，所以磁性比较弱，因而叫做稀磁半导体。稀磁半导体材料兼具有半导体材料和磁性材料的性质，在这类材料中，可以同时利用电子的电荷和电子自旋两个自由度，因此为新型自旋器件的研制提供了更广阔的空间。
[0003]在不加外磁场时，DMS材料表现出与一般半导体材料相似的性质，并且其禁带宽度和晶格常数可以随掺入的磁性离子的浓度的变化而变化，通过能带剪裁工程可使这类材料应用于各种半导体器件。在外磁场中，DMS材料会表现出独特的磁学性质。由于磁性离子的固有磁矩与能带中电子自旋磁矩之间存在交换作用，从而导致了许多新奇的物理现象，例如磁致绝缘体-金属转变、反常霍尔效应、束缚磁极化子、巨塞曼分裂、巨法拉第效应和负磁阻效应等。这些新奇的物理特性为一些新技术的发展提供了条件，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中的研究热点之一。
[0004]可用于半导体器件研发的稀磁半导体薄膜材料，必须具有高于室温的居里温度(Tc)并且能与现有的半导体工艺兼容。由于GaN半导体材料具有优异的电学和光学性能，所以目前广泛地被用于制备稀磁半导体薄膜材料的基质材料，GaMnN薄膜就是基于GaN半导体材料的一种稀磁半导体薄膜材料。理论计算和实验都证明了 GaMnN薄膜材料具有高于室温的铁磁性，是一种非常有发展前景的稀磁半导体薄膜材料。但是，目前在制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料方面有许多困难。传统制备薄膜材料的方法主要有分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等，但这些方法都是平衡生长法，掺杂效率比较低。而较高的掺杂浓度(> 5%)是实现新型稀磁半导体功能器件所必需的。另外，上述方法还存在设备维护成本高、原材料价格昂贵、生产周期长以及尾气处理过程复杂等弊端。本发明提供了一种非平衡生长方法，具有掺杂效率高、制备成本低、生产周期短以及尾气处理简单等优点，可大大提高生产效率和经济效益。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，本方法克服了传统制备薄膜的一些缺点，能够在蓝宝石衬底上制备出高质量的GaMnN稀磁半导体薄膜材料。为实现上述目的，本发明的技术方案可分为三步: 第一步，利用激光分子束外延方法在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；
第二步，利用激光分子束外延方法在带有GaN缓冲层的蓝宝石衬底上生长GaMnN稀磁半导体薄膜材料；
第三步，将原生的GaMnN稀磁半导体薄膜材料在生长室内进行原位退火。
[0006]所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，第一步中所用的靶材是高纯GaN粉末经过研磨，压片，烧结，而制成的陶瓷靶。其直径为30 mm，厚度为4 mm。所用的衬底为(0001)方向的蓝宝石晶片。在开始制备薄膜之前，用无水乙醇、丙酮和去离子水对衬底材料进行多次超声振荡清洗。
[0007]所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，第二步中所用的靶材是高纯GaN粉末和高纯Mn粉末经过研磨，压片，烧结而制成的GaMnN陶瓷靶，其中Mn的含量为Iat.%?10 at.%，革巴的直径为30 _，厚度为4 mm。
[0008]所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，第一步和第二步中，所用激光器为KrF准分子激光器，激光能量设定为150?250 mJ/Puls，脉冲频率为5 Hz0在生长过程中，衬底温度保持在600°C?800°C，靶和衬底的距离保持在4 cm?7 cm,生长室内的氮气压强保持在0.1 Pa?10 Pa。
[0009]所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，步骤3中向生长室通入高纯氨气，待氨气压强达到一个大气压开始升高衬底温度，使其在高温下保持一段时间，进行原位退火。退火完毕，关闭衬底加热装置，最后向生长室通入高纯氮气，目的是排出里面的氨气，将尾气通入洗气瓶以吸收掉有害气体。典型的退火温度为900°C?1000°C，典型的退火时间为10 min?30 min。
[0010]本发明所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法具有掺杂效率高、制备成本低、生产周期短以及尾气处理简单等优点，它克服了传统薄膜制备技术中存在的掺杂效率低、制备成本高、生产周期长以及尾气处理复杂等缺点。本发明制备的GaMnN稀磁半导体薄膜材料具有结晶质量好、薄膜厚度均匀、表面粗糙度低、室温铁磁性等特点，可应用于新型稀磁半导体功能器件的研制。
【附图说明】
[0011]图1是激光分子束外延设备的结构示意图；
图2是激光分子束外延设备生长室的示意图；
图3是所制备的GaMnN稀磁半导体薄膜材料典型的X射线衍射图；
图4是所制备的GaMnN稀磁半导体薄膜材料典型的表面形貌图；
图5是所制备的GaMnN稀磁半导体薄膜材料典型的磁滞回线图。
[0012]图中I进样室；2传递杆；3阀门；4阀门；5生长室；6真空系统；7透镜；8入射激光；9电机；10衬底托；11观察窗；12可换位靶托；13流量计；14电机。
【具体实施方式】
[0013]请同时参阅图1和图2，下面结合具体生长工艺进一步说明本发明的技术特征。
[0014](I)在制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料之前，先将衬底用丙酮超声清洗两次，每次10分钟，每次清洗后都用去离子水冲洗2分钟左右，然后用乙醇超声清洗10分钟，最后用去尚子水冲洗干净，烘干备用。
[0015](2)将GaN陶瓷靶通过进样室I的阀门3放到传递杆2上。开启真空系统6的机械泵，当生长室5内的压强到达10 Pa以下时，开启真空系统6的分子泵，抽取4小时左右，系统背景真空即可达到5X 10 5 Pa以下。然后借助传递杆2通过阀门4将GaN陶瓷靶放入到生长室5内的可换位靶托12的一个靶位上，操作过程中可以通过观察窗11进行观察。用同样的方法将GaMnN陶瓷靶放到可换位靶托12的另一个靶位上。再用同样的方法将准备好的衬底放入衬底托10上。靶和衬底间的距离保持为5cm。
[0016](3)打开衬底托10上的衬底加热装置，待衬底温度达到700°C后通过调节流量计13向生长室通入高纯氮气，将氮气背景压强调到1.5 Pa。
[0017](4)拨动可换位靶托12使GaN陶瓷靶正对衬底托10。调节光路，使入射激光8通过透镜7能够以45°角入射到GaN靶心上，开始沉积GaN缓冲层，沉积时间为2 min,缓冲层厚度约为20 nm。制备过程中电机9和电机14分别带动衬底托10和可换位靶托12以相反的方向绕轴转动，转速为7 r/min。这样可以使制备的薄膜厚度均勻。
[0018](5)拨动可换位靶托12使GaMnN陶瓷靶正对衬底托10。用步骤(4)所述的方法开始沉积GaMnN薄膜，沉积时间为45 min。
[0019](6)薄膜生长完毕，关闭真空系统6，向生长室5内通入高纯氨气。待氨气压强达到一个大气压，开始升高衬底温度使其在950°C下保持25 min，进行原位退火。退火完毕，关闭衬底加热装置，向生长室通入高纯氮气以排除里面的氨气，将尾气通入洗气瓶以吸收掉有害气体。退火后的样品在氮气的保护下自然冷却。
[0020]按照上述技术路线制备的GaMnN稀磁半导体薄膜材料具有较好的结晶质量和表面形貌，同时具有室温铁磁性。X射线衍射实验表明GaMnN稀磁半导体薄膜材料的晶体结构属于纤锌矿结构，如图3所示。原子力显微镜测试表明，上述GaMnN稀磁半导体薄膜材料具有较好的表面形貌，其表面粗糙度约为1.31nm，如图4所示。超导量子干涉仪测试表明，上述GaMnN稀磁半导体薄膜材料具有室温铁磁性，其磁滞回线如图5所示。
【主权项】
1.一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于技术方案可分三步:第一步，利用激光分子束外延方法在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；第二步，利用激光分子束外延方法在带有GaN缓冲层的蓝宝石衬底上生长GaMnN稀磁半导体薄膜材料；第三步，将原生的GaMnN稀磁半导体薄膜材料在生长室内进行原位退火。2.根据权利要求1所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于用激光分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料。3.根据权利要求1所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于第一步先生长GaN缓冲层。4.根据权利要求1所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于第二步生长GaMnN稀磁半导体薄膜材料。5.根据权利要求1所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于第三步将原生的GaMnN稀磁半导体薄膜材料在生长室内进行原位退火。
【专利摘要】稀磁半导体薄膜材料中会出现很多新奇的物理性质，而这些新奇的物理性质为新型自旋器件的研制提供了更广阔的空间，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中的研究热点之一。传统制备薄膜材料的方法有分子束外延法和金属有机物化学气相沉积等，它们都是平衡生长法，其弊端在于掺杂效率低、设备维护成本高、原材料价格昂贵、生产周期长以及尾气处理过程复杂等。本发明属于半导体技术领域，提供了一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，具有掺杂效率高、制备成本低、生产周期短以及尾气处理简单等优点，可大大提高生产效率和经济效益。
【IPC分类】C23C16/56, H01F41/22, C23C16/34, C23C16/48
【公开号】CN105018902
【申请号】CN201410159218
【发明人】高兴国
【申请人】齐鲁工业大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2014年4月21日