一种制备GaN:Gd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GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，尤其是指一种用激光分子束外延(LMBE)方法在蓝宝石(Al2O3)衬底上沉积GaN半导体薄膜材料，然后再利用热扩散工艺在固态源高温扩散炉中进行Gd掺杂，从而制备出GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的方法。
【背景技术】
[0002]稀磁半导体材料(Diluted Magnetic Semiconductor, DMS)因兼具磁性材料和半导体材料的双重特性，可同时利用电子的电荷性质及自旋性质而引起广泛地关注。这类材料具有一系列不同于常规半导体的磁学、光学和电学特性，如巨塞曼效应、巨磁阻效应、巨法拉第效应以及反常霍尔效应等，这些效应不仅具有重要的基础理论研究价值，而且在新一代光电器件、传感器件、高速静态存储器件以及量子计算和量子通信器件等方面具有广阔的应用前景。
[0003]通常用于半导体器件研制的都是薄膜材料，而可实际应用的稀磁半导体薄膜材料必须满足两个条件??第一，稀磁半导体薄膜材料的居里温度(T。)达到或高于室温；第二，稀磁半导体薄膜材料要与现有的半导体器件制造工艺兼容。2005年,物理类权威杂志Physical Review Letters (PRL 2005; 94: 037205)报道了 GaN:Gd 稀磁半导体薄膜材料具有室温铁磁性。另外，GaN半导体薄膜材料的半导体制造工艺已经发展的比较完善，在光发射、光存储以及光探测等领域有广阔的应用前景。因此，以GaN半导体薄膜材料为基础的GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料满足上面提到的两个条件，目前已经成为国内外科研工作者研究的热点之一。
[0004]在信息领域方面，GaNiGd稀磁半导体薄膜材料使信息处理和信息存储同时进行，元件的结构大大简化，功能却大大增强，可在新一代的光电器件、高速静态存储器件、传感器件，以及量子通信器件等诸多方面有很大的应用。在能源方面，GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料可应用于太阳能电池。掺杂的Gd离子在GaN半导体薄膜材料的带隙中引进额外的中间带，这样原本能量小于带隙的光子，有机会被吸收，因而增加了光电流，提高了太阳能电池的效率。因此，制备高质量的、可实际应用的GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料具有很重要的意义。
[0005]目前，制备GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的主要方法有分子束外延(MBE)以及金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等，但这些方法存在掺杂效率比较低、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弊端。本发明提供了一种制备GaN:Gd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。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种制备GaN = Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，能够在蓝宝石衬底上制备出高质量的GaN = Gd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半导体薄膜材料；
第二步，将原生的GaN半导体薄膜材料在生长室内进行原位退火；
第三步，将退火后的GaN半导体薄膜材料取出来，然后放入高温扩散炉中进行Gd掺杂。
[0007]所述的一种制备GaN = Gd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。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I?10 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?8 cm,生长室内的氮气压强保持在0.1 Pa?10 Pa。
[0008]所述的一种制备GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，第二步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。
[0009]所述的一种制备GaN = Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，第三步中的掺杂是在固态源高温扩散炉中进行的，所用的掺杂源为GaN粉末和Gd粉末的混合物，整个扩散过程都通入氮气进行保护。其中Gd的掺杂浓度可以通过调节GaN粉末和Gd粉末的比例来进行调节。典型的扩散温度为900°C ~1100°C，典型的扩散时间为10 mirT30 min。
[0010]本发明所述的一种制备GaN = Gd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GaN:Gd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是固态源高温扩散炉示意图；
图4是所制备的GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料典型的X射线衍射图；
图5是所制备的GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料典型的表面形貌；
图6是所制备的GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料典型的变温磁化曲线。
[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；15阀门；16石英炉管；17石英舟；18阀门。
【具体实施方式】
[0013]请同时参阅图1、图2和图3，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GaN:Gd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，最后用去离子水冲洗干净，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5X10 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。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)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半导体薄膜材料，沉积时间为60 min。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匀。
[0018](5)待GaN半导体薄膜材料生长完毕，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。
[0019](6)取出退火后的GaN半导体薄膜材料，然后放入固态源高温扩散炉的石英舟17上，再在GaN半导体薄膜材料表面上均匀地覆盖一层Gd粉末，最后将载有样品的石英舟放到石英炉管16的中心。将高纯氮气通过阀门15通入石英炉管16，保持氮气流量为10 seem.打开扩散炉的加热装置，使其以10°C /min的速度升温至1000°C，保持15 min。扩散完毕，关闭扩散炉的加热装置，使其在氮气流中自然冷却。扩散过程中的尾气通过阀门18通入洗气瓶进行处理。
[0020]按照上述技术路线制备的GaN:Gd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GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的晶体结构属于纤锌矿结构，具有C轴择优取向，如图4所示。原子力显微镜测试表明，上述GaN:Gd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1.84 nm，如图5所示。变温磁化曲线表明，上述GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料具有室温铁磁性，其居里温度可用外插法进行推算，约为340K，如图5所示。
【主权项】
1.一种制备GaN: Gd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半导体薄膜材料；第二步，将原生的GaN半导体薄膜材料在生长室内进行原位退火；第三步，将退火后的GaN半导体薄膜材料在固态源高温扩散炉中进行Gd掺杂。2.根据权利要求1所述的一种制备GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于将退火后的GaN半导体薄膜材料在固态源高温扩散炉中，利用高温扩散工艺进行Gd掺杂。3.根据权利要求1所述的一种制备GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于用GaN粉末和Gd粉末的混合物作为固态掺杂源。4.根据权利要求1所述的一种制备GaN:Gd稀磁半导体薄膜材料的方法，其特征在于通过调节GaN粉末和Gd粉末的比例来调节Gd的掺杂浓度。
【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。本发明属于半导体技术领域，提供了一种制备GaN:Gd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沉积GaN薄膜材料，然后再利用热扩散工艺进行Gd掺杂。本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】C23C16/48, C23C16/56, H01F41/22, C23C16/34
【公开号】CN105088184
【申请号】CN201410191308
【发明人】高兴国
【申请人】齐鲁工业大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月8日