一种SiC基稀磁半导体薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种SiC基稀磁半导体薄膜及其制备方法，属于新型半导体自旋电子学领域。
【背景技术】
[0002]自旋电子器件是一种全新的电子器件，与传统半导体电子器件相比，它能同时利用电子的电荷和自旋属性，因此具有速度快、体积小、耗能发热低及非易失性等优点。稀磁半导体是制备自旋电子器件的理想材料，基于稀磁半导体材料，已经设计出自旋场效应管、自旋发光二极管等一系列自旋电子器件。
[0003]SiC是第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大，饱和电子迀移速率高，热导率高等优异的物理和化学性能，适应于大功率、高温、高压及抗辐射器件领域。作为潜在的SiC基稀磁半导体材料，以SiC为材料制得的自旋电子器件在高温、高压及大功率等环境中，具有更优异的应用。
[0004]近几年来，基于SiC基稀磁半导体材料主要是通过掺入杂质粒子，特别是过渡金属粒子来研究SiC材料的稀磁特性，例如CN101404198A公开在4H-SiC衬底中注入Fe离子以制备SiC稀磁半导体材料，通过这种方法获得的SiC材料的稀磁强度较弱。研究发现SiC的稀磁特性与过渡金属粒子、缺陷等有关联。其中，粒子辐照可以在SiC结构内产生缺陷，通过调控辐射剂量、能量等可以较好地调控缺陷种类与浓度，从而获得具有稀磁特性的SiC材料。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种SiC基稀磁半导体薄膜室温铁磁性的新型材料及其方法，提供SiC材料在自旋电子器件中的应用。
[0006]—方面，本发明提供一种制备SiC基稀磁半导体薄膜的方法，以一定剂量的碳粒子12C+对SiC薄膜材料进行辐照，即制得SiC基稀磁半导体薄膜。
[0007]较佳地，12C+辐照剂量为IX 113-1 X 1016cm—2。根据本发明，可以在SiC薄膜材料中产生足够多的碳硅双空位，且碳硅双空位不会发生团聚。
[0008]较佳地，12C+辐照能量为50?300KeV，辐照过程在室温下进行。根据本发明，可以使碳粒子进入薄膜且不破坏薄膜结构。
[0009]较佳地，12C+辐照角度与所述SiC薄膜材料表面法线呈5?20°(最好为7° )。根据本发明，可以减少辐射时的沟道效应。
[0010]本发明中，所述辐照在所述SiC薄膜材料中产生了碳硅双空位，通过调节12C+辐照剂量来调控碳硅双空位的浓度和分布。根据本发明，可以易于调节制得的SiC基稀磁半导体薄膜的饱和磁化强度大小。
[0011]本发明中，所述辐照不改变所述SiC薄膜材料的组成和相。根据本发明，不破坏SiC薄膜材料的结构，辐照前后均为SiC薄膜。
[0012]本发明中，所述SiC薄膜材料的制备方法可为化学气相沉积法、分子束外延，液相外延方法中的至少一种，优选为化学气相沉积法。
[0013]较佳地，所述SiC薄膜材料的制备方法包括:
(1)将洁净干燥的衬底放入反应腔体中，抽至腔体真空至<5.0 X 10—4Pa;
(2)通入H2和HCl混合气体在1000?1200°C对衬底进行刻蚀；
(3)通入H2和C3H8混合气体在1200-1300°C对衬底进行碳化；
(4)通入H2、C3H8和SiH4混合气体在1300?1400°C生长一定时间即可得到SiC薄膜材料。
[0014]所述衬底可以是硅片、蓝宝石衬底、碳化硅、或TiCx。
[0015]另一方面，本发明提供由上述方法制备的SiC基稀磁半导体薄膜，所述SiC基稀磁半导体薄膜中具有碳硅双空位，所述SiC基稀磁半导体薄膜具有室温铁磁性。
[0016]本发明采用12C+对SiC薄膜进行粒子辐照，以此制备出SiC基稀磁半导体薄膜室温铁磁性能。通过本方法处理后的SiC薄膜，薄膜具有明显的室温铁磁性，且其饱和磁化强度相较强，具有良好的潜在应用价值。本发明方法稳定有效，可以在不破坏材料的前提下制备出一种SiC基稀磁半导体薄膜材料，这有利于自旋电子器件性能的提升和应用。
【附图说明】
[0017]图1为经辐照剂量为IX 114Cnf2碳粒子辐照后的3C_SiC薄膜样品的HRXRD图谱，图中显示，除了衬底Si (004)衍射峰外，只存在3C-SiC的(200)及(400)峰位，这两个峰的峰型高度对称，且(200)峰强大于(400)峰强，表明通过化学气相沉积法制得的3C-SiC薄膜具有良好的结晶质量，且晶型单一；
图2为经辐照剂量为I X 114Cnf2碳粒子辐照后的3C-SiC薄膜样品的PIXE图谱，从质子激发X射线光谱可知，制备3C-SiC薄膜及辐射过程中，均没有引入外来杂质，薄膜具有较高的纯度；
图3为经辐照剂量为I X 1014cm—2碳粒子辐照后的3C-SiC薄膜样品的正电子煙灭图谱，由图中可以看出，经碳粒子辐照后在薄膜中产生了碳硅双空位；
图4为经辐照剂量为I X 1014cm—2碳粒子辐照后的3C-SiC薄膜样品的室温磁滞回线，表明辐射后的3C-SiC薄膜具有室温铁磁性的特征，其饱和磁化强度为0.6099emu/cm3。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0019]本发明采用碳粒子12C+对SiC薄膜材料进行辐照，以此制备SiC基稀磁半导体薄膜材料。另外，应理解，本发明也可采用其它高能粒子，只要选择合适的能量和粒子辐照剂量，例如可以采用氢离子、氖离子或氩离子等惰性气体离子对SiC薄膜材料进行辐照以制备SiC基稀磁半导体薄膜材料。
[0020]本发明中，所述的SiC薄膜材料是指包含SiC多型半导体中常见的几种多型，如3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC多型。在一个示例中，所采用的SiC薄膜材料为3C-SiC薄膜材料。
[0021]本发明中，SiC半导体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为8μπι。采用这样的厚度时，可以保证粒子辐照完全发生在SiC薄膜材料内，材料的特性完全为SiC薄膜材料本身的属性。
[0022]本发明中，SiC半导体薄膜材料可以是通过任何合适的方法制备的薄膜。其制备方法包括但不限于分子束外延、化学气相沉积法、液相外延法的至少一种，优选为化学气相沉积法。
[0023]在一个示例中，采用化学气相沉积法在衬底上制备3C_SiC薄膜材料。所述衬底例如是硅片、蓝宝石衬底、碳化硅、TiCx。在沉积之前，衬底优选为预先进行清洗干净，清洗方法例如可采用湿化学法(例如标准的RCA工艺)。在一个示例中，硅衬底的清洗方法具体可包括:(I)将硅衬底放入氨水:双氧水:去离子水=I: I: 5的混合溶液中清洗15min，然后用去离子水冲洗1min ; (2)将硅衬底放入盐酸:双氧水:去离子水=1: 1: 5的混合溶液中清洗15min，然后用去离子水中冲洗1min; (3)将硅衬底用高纯他吹干。
[0024]在一个示例中，沉积可包括如下步骤。
[0025](I)将硅衬底放在石英舟和石墨板上，再将组合件放入石英腔体中。
[0026](2)将石英腔体本底真空抽至<5.0X 10—4Pa,分别进行刻蚀、碳化和外延生长过程。刻蚀过程可以是通入H2和HCl混合气体在1000-1200°C对衬底Si进行刻蚀。H2和HCl的体积比可为1: 0.25 %?0.80 %。刻蚀时间可为3?15分钟。碳化过程可以是通入H2和C3H8混合气体在1200-1300°C对衬底Si进行碳化。H2和C3H8的体积比可为1:0.02%?0.08%。碳化时间可为5?20分钟。
[0027](3)将石英腔体温度升至1300_1400°C后，外延生长0.5?5h(例如3h)。生长气氛为H2、C3H8和SiH4混合气体，可包括HCl气体，其中C/Si = 2.4?3.6。
[0028]采用碳粒子12C+对SiC薄膜材料进行辐照。辐照时，碳粒子辐照剂量可为IX 113?IX 1016cm—2。若碳粒子辐照剂量小于该范围，则在薄膜中不会产生足够多的碳硅双空位;若碳粒子辐照剂量大于该范围，则碳硅双空位会发生团聚，从而形成空位团簇或宏观尺寸空隙。
[0029]碳粒子辐照能量可为50?300KeV，优选为lOOKeV。若碳粒子辐照能量小于该范围，则碳粒子不易进入薄膜，无法产生室温铁磁性;若碳粒子辐照能量大于该范围，则高能量的质子会显著破坏薄膜的结构。
[0030]另外，本发明对辐射过程的环境温度没有特别限制，例如可在室温下进行。
[0031]在辐照过程中，12C+辐照角度与SiC薄膜材料表面法线可呈5?20°(最好为7°)。例如调节辐照粒子的入射方向与SiC薄膜材料之间的角度。通过形成上述角度，可以减少辐射时的沟道效应。
[0032]图3示出经辐照剂量为IX 114Cnf2碳粒子辐照后的3C_SiC薄膜样品的正电子煙灭图谱，由图中可以看出，经碳粒子辐照后在薄膜中产生了碳硅双空位。碳粒子辐照在薄膜