一種Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體的方法及其用途的製作方法

2023-09-20 16:53:15 1

專利名稱：：一種Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體的方法及其用途的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種用金屬有機物化學汽相外延生長技術(MOCVD)通過Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體的方法，尤其是利用MOCVD技術通過Fe摻雜生長技術在藍寶石襯底材料上生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的方法。該方法生長的Fe摻雜稀釋磁性半導體材料GaFeN薄膜可用於自旋電子學器件。這種器件的優點是更快數據處理能力，功耗小及其它潛在的前所未有的優點。在其上依據不同的器件應用生長不同的外延結構，如可以製備得自旋場效應管，自旋發光二極體，量子計算等領域。本發明可有效地控制GaFeN材料的生長。獲得了具有很明顯的室溫鐵磁性的GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料。
背景技術：
：過去十幾年來，稀釋磁性半導體材料倍受研究工作者的關注。人們期望利用稀釋磁性半導體材料製備得到自旋電子學器件。這種器件的優點是更快數據處理能力，功耗小及其他潛在的用途等前所未有的優點。譬如，可以製備得自旋場效應管，自旋發光二極體，量子計算等.Ohno等人成功製備得到Mn摻雜得三族砷化物稀釋磁性半導體材料，然而居裡溫度最高只有110K。[1'2]從實際應用的角度講，居裡溫度在室溫以上的稀釋磁性半導體材料才是我們所期望的。研究工作者為此付出許多努力尋找居裡溫度室溫以上的稀釋磁性半導體材料。理論物理學家Diel等人利用平均場理論計算，預言了p型GaN基稀釋磁性半導體材料的居裡溫度可以超過室溫。[3]利用第一性原理計算也可以得出相同的結論。[4'5]這些理論預言激起了對GaN基稀釋磁性半導體材料研究的極大興趣。各種方法被利用製備稀釋磁性半導體材料。包括固態擴散，MBE，離子注入MOCVD等。在這些方法中，MOCVD製備GaN稀釋磁性半導體具有無比優越性，這是因為首先MOCVD是製備GaN材料最好的設備，其次，利用MOCVD製備GaN基稀釋磁性半導體材料，可以與現有的半導體材料製備技術保持一致性和兼容性。然而，雖然GaN基稀釋磁性半導體材料理論上具有高於室溫的居裡溫度，實驗室卻未完全證實這點，其本質磁性存在爭論。利用Squid設備測得的磁性往往是由於材料中存在納米級的微小磁性團簇引起的。這樣，關於GaN基稀釋磁性半導體材料的本徵磁性有待實驗進一步證實。參考文獻H.Ohno，H.Munekata，T.Penney,et.al.,/fer.Ze".68(1992)2664H.Ohno，A.Shen，F.Matsukura,A.Oiwa，et.al.,^cp丄Ae^.69(1996)363T.Deatl,H.Ohno,F.Matsukura,J.Cibert，D.Ferrand,6bie/ce287(2000)1019H.Katayama-Yoshidaa，K.Sato，/%j^z'ca5327(2003)337[5]K.Sato，P.H.Dederichs，H.Katayama-Yoshida，J.Kudrnovsky，j9340(2003)86
發明內容本發明目的是提出一種Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體的方法及其用途，尤其是利用M0CVD生長技術，採用藍寶石襯底和Fe摻雜技術，在GaN緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的方法。並利用稀釋磁性半導體材料製備得到自旋電子學器件。本發明的技術解決方案Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料合成方法是採用MOCVD生長方法，(1)在藍寶石襯底上高溫氮化處理襯底材料，在MOCVD生長系統中通入H2、N2或&和N2氣體對藍寶石襯底進行1000-1IO(TC溫度情況下的襯底表面處理，時間為5-60分鐘；(2)生長低溫GaN緩衝層，在保持&和&氣體載氣不變的情況下，再在400-600。C溫度下通入流量分別控制在的0.l-5slm和1-10sccm的氨氣和三甲基鎵生長低溫GaN緩衝層；(3)生長高溫GaN緩衝層，在900-115(TC溫度下通入同樣流量範圍的氨氣和三甲基鎵生長厚度在0.5um-2um的高溫GaN緩衝層；低溫和高溫GaN緩衝層的厚度均為0.5um-2um;(4)在GaN高溫緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料，在900-1150'C溫度下通入流量範圍分別為0.l-5slm、l-10sccm和15-200sccm的氨氣、三甲基鎵和二茂鐵(CP2Fe)，根據所需材料厚度控制時間生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料；生長過程中控制反應源冷井溫度分別為TMGaO士3'C;Cp2Fe40±5°C;生長腔壓力保持5-500Torr。有機鎵源為三甲基鎵，流量為1-50sccm;則3氣流量為0.1-5slm;摻雜劑為二茂鐵(CP2Fe)，流量為15-200sccm;生長時間大於10分鐘另還摻入二茂鐵Cp2Fe，流量為1-3sccm，二茂鐵反應源冷井溫度40°C。本發明的機理和技術特點利用MOCVD生長技術，採用藍寶石襯底和Fe摻雜技術，直接高溫氮化處理襯底材料然後生長低溫GaN和高溫GaN緩衝層技術，再在GaN緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的技術。通過對不同生長層生長溫度、生長源流量控制等工藝參數選擇控制，合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料。生長過程中控制反應源冷井溫度分別為TMGa(TC;Cp2Fe4CTC;Cp2Mn40°C。生長腔壓力保持5-500Torr.實驗表明，利用MOCVD系統成功製備了不同濃度的Fe摻雜的GaN薄膜材料，研究發現Fe摻雜的GaN具有很明顯的室溫鐵磁性。該材料有可能在自旋場效應管，自旋發光二極體，量子計算等領域具有廣闊的應用前景。本發明可有效地控制GaFeN材料的生長。其中，在研製GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料工藝中的寶石襯底的兩步處理方法，高溫GaN緩衝層的採用；在MOCVD系統中同時通入氨氣、三甲基鎵和二茂鐵(CP2Fe)，以及這三種源流量控制；生長溫度和源溫度的控制以及生長腔壓力的控制等是本發明的關鍵。本發明的有益效果是由於採用金屬有機物化學汽相外延生長技術(MOCVD)通過Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體的方法，尤其是利用MOCVD技術通過Fe摻雜生長技術在藍寶石襯底材料上生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的方法。獲得了具有很明顯的室溫鐵磁性的GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料。該方法生長的Fe摻雜稀釋磁性半導體材料GaFeN薄膜可用於自旋電子學器件。這種器件的優點是更快數據處理能力，功耗小及其它潛在的用途。在其上依據不同的器件應用生長不同的外延結構，如可以製備得自旋場效應管，自旋發光二極體，量子計算等領域。本發明可有效地控制GaFeN材料的生長，本發明與現有的半導體材料生長工藝完全兼容。本發明在材料生長摻雜技術以及生長工藝上屬於首次。圖1是本發明生長樣品的XRD衍射結果圖，測試範圍2e從25。到60°，縱坐標採用對數坐標。圖2為本發明得到的樣品的拉曼測試結果圖，測量範圍為500cm—'到800cm—'。圖3為本發明得到的樣品室溫下測得的磁滯回線。具體實施例方式本發明利用MOCVD生長技術，採用藍寶石襯底和Fe摻雜技術，直接高溫氮化處理襯底材料然後生長低溫GaN和高溫GaN緩衝層技術，再在GaN緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的技術。通過對不同生長層生長溫度、生長源流量控制等工藝參數選擇控制，合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料。具體包括以下幾步1)利用MOCVD生長技術，採用藍寶石襯底和Fe摻雜技術，直接高溫氮化處理襯底材料然後生長低溫GaN和高溫GaN緩衝層兩步法技術，再在GaN緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的技術。2)首先在MOCVD生長系統中通入H"N2或仏和&氣體對藍寶石襯底進行1000-1100°C溫度情況下的襯底表面處理，時間為5-60分鐘；接著通入0.75slm流量的氨氣對襯底表面進行氮化處理。3)在保持H2、N2或H2和N2氣體載氣不變的情況下，再在400-60(TC溫度下通入流量分別控制在的0.l-5slm和l-10sccm的氮氣和三甲基鎵生長低溫GaN緩衝層；接著在900-115(TC溫度下通入同樣流量範圍的氨氣和三甲基鎵分別生長厚度在0.5um-2um的低溫和高溫GaN緩衝層。4)最後，在900-1150。C溫度下通入流量範圍分別為0.l-5slm、1-10sccm和15-200sccm的氨氣、三甲基鎵和二茂鐵(CP2Fe)，根據所需材料厚度控制時間生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料。5)載帶氣體，H2或N2或H2和N2混合氣體作為稀釋氣體，NH3氣作為氮源。&或&，或&和IV混合氣稀釋氣流量2500-3500sccm，N仏氣0.1-5slm。反應區域溫度也可以是500-1IO(TC，生長時間為8-120min的條件下可以獲得GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料。生長過程中控制反應源冷井溫度分別為TMGa(TC;Cp2Fe40°C;生長腔壓力保持5-500Torr。另摻入Cp2Mn，流量是1-3sccm，反應源冷井溫度40。C。其中，在研製GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料工藝技術中的寶石襯底的兩步處理方法，高溫GaN緩衝層的採用；在MOCVD系統中同時通入氨氣、三甲基鎵和二茂鐵(CP2Fe)，以及這三種源流量控制；生長溫度和源溫度的控制以及生長腔壓力的控制等是本發明的關鍵。本發明在藍寶石晶片襯底上生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的優化生長條件範圍見表1所示。表1.在藍寶石晶片襯底上生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料的優化生長條件範圍tableseeoriginaldocumentpage6從圖1中我們可以看出樣品的衍射峰均出現在GaN或寶石襯底衍射峰相同位置上，這說明沒有諸如Fe,N等第二相物質或單質鐵顆粒的存在。另一方面，由於樣品中摻入Fe的量很少，所以並沒有觀察到很明顯的由於晶格常數改變而引起的衍射峰的移動。我們對樣品進行了EDS測量，結果表明，樣品中Fe的含量約為0.57wt%。當樣品中Fe的含量為0.99%時，樣品中就會出現單質Fe顆粒，所以我們認為GaN中Fe原子的固溶度應小於1%。從圖2中我們可以清楚地看到，GaN的E2(high)和A,(L0)這兩個振動模的拉曼峰均出現在樣品中，這說明樣品具有很高的晶體質量，而且通過摻雜並沒有破壞原有的晶體對稱性。樣品在733cm—'波數處均有很強的峰值，這在一定程度上說明樣品中載流子的濃度很低。因為對於LO振動模來講，隨著摻雜濃度的增高以及樣品中載流子濃度的提高，相對于振動模的拉曼頻移峰會減弱甚至消失。這也正好和我們前面的電學測量結果符合，樣品具有很高的電阻。除了具有c軸取向的GaN膜應該具有的振動模式外，我們還觀測到另外兩個振動模式，A,(TO)和EJTO)。我們認為這兩個模式的產生是由於Fe的摻入，一定程度上降低了樣品的質量所致。另一方面，由於樣品中摻入Fe的數量很少，我們並沒有觀察到局域振動模的出現。如3圖所示，樣品的抗磁性和順磁性的貢獻已經被去掉。外加磁場為0-30000e，縱坐標採用每單位體積內磁化強度大小。樣品體現出清晰的磁滯行為，這說明樣品具有室溫鐵磁性。樣品的飽和磁化強度分別為0.74emu/cm3。圖3中的小圖為樣品在10K和300K分別測得的磁滯回線，也可以清晰地看到樣品在外磁場下的磁滯行為。儘管我們的樣品具有很明顯的室溫磁滯行為，但是仍然不能確定鐵磁性的來源。這裡表現出來的鐵磁性有可能來源於均一相的GaFeN薄膜，比如基於0hno理論的載流子誘導鐵磁性，也有可能來自於薄膜中的一些尺寸非常小的納米顆粒，比如單質Fe顆粒或一些N、Fe化合物薄膜，而這些材料大部分都具有很高的居裡溫度。所有源攜帶都由載氣攜帶，通過氣體流量控制器控制測量，並由載氣通過金屬管路帶入反應腔。單位Slm為每分鐘升，SCCm為每分鐘毫升。權利要求1、Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料合成方法其特徵是採用MOCVD生長方法，(1)在藍寶石襯底上高溫氮化處理襯底材料，在MOCVD生長系統中通入H2、N2或H2和N2氣體對藍寶石襯底進行1000-1100℃溫度情況下的襯底表面處理，時間為5-60分鐘；(2)生長低溫GaN緩衝層，在保持H2和N2氣體載氣不變的情況下，再在400-600℃溫度下通入流量分別控制在的0.1-5slm和1-10sccm的氨氣和三甲基鎵生長低溫GaN緩衝層；(3)生長高溫GaN緩衝層，在900-1150℃溫度下通入同樣流量範圍的氨氣和三甲基鎵生長厚度在0.5um-2um的高溫GaN緩衝層；低溫和高溫GaN緩衝層的厚度均為0.5um-2um；(4)在GaN高溫緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料，在900-1150℃溫度下通入流量範圍分別為0.1-5slm、1-10sccm和15-200sccm的氨氣、三甲基鎵和二茂鐵(CP2Fe)，根據所需材料厚度控制時間生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料；生長過程中控制反應源冷井溫度分別為TMGa0±3℃；Cp2Fe40±5℃；生長腔壓力保持5-500Torr。2、根據權利要求1所述的Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料合成方法是其特徵是有機鎵源為三甲基鎵，流量為1-50sccib;順3氣流量為0.l-5slm;摻雜劑為二茂鐵(CP2Fe)，流量為15-200sccm;生長時間大於10分鐘3、根據權利要求1所述的Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料合成方法是其特徵是滲入二茂鐵Cp2Fe，流量為1-3sccm二茂鐵反應源冷井溫度4(TC。4、權利要求1-3之一生長的GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料應用生長不同的外延結構，即自旋場效應管或自旋發光二極體。全文摘要Fe摻雜生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料合成方法是採用MOCVD生長方法，(1)在藍寶石襯底上高溫氮化處理襯底材料，在MOCVD生長系統中通入H2、N2或H2和N2氣體對藍寶石襯底進行1000-1100℃溫度下襯底表面處理，(2)生長低溫GaN緩衝層，(3)生長高溫GaN緩衝層，低溫和高溫GaN緩衝層的厚度均為0.5um-2um；(4)在GaN高溫緩衝層上通過Fe摻雜控制合成生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料，在900-1150℃溫度下通入流量範圍分別為0.1-5slm、1-10sccm和15-200sccm的氨氣、三甲基鎵和二茂鐵(CP2Fe)，生長GaFeN稀釋磁性半導體薄膜材料；生長腔壓力保持5-500Torr。文檔編號H01F41/22GK101319400SQ20081002489公開日2008年12月10日申請日期2008年5月19日優先權日2008年5月19日發明者修向前,斌劉,宋黎紅,崔旭高,崔穎超,榮張,毅施,弋李,謝自力,紅趙,鄭有炓,鵬陳,陶志闊,平韓申請人:南京大學