磁性p－n結薄膜材料及製備方法
2023-05-16 17:39:06
專利名稱：磁性p－n結薄膜材料及製備方法
技術領域：
本發明提供一種磁性薄膜材料及製備方法，特別是指一種磁性p-n結薄膜材料及製備方法。
迄今為止，已有大量的磁體/半導體異質結構以及磁體/半導體/磁體三明治結構製備成功的報導，磁體/半導體超晶格的研製也取得了進展。但由於磁體/半導體間晶格失配的影響，異質結構的應變較大、穩定性不好。對於半導體材料的研究多集中在II-Mn-VI和III-Mn-V，即A1-xMnxB化合物上，由於晶格失配問題Mn離子的濃度不能太高。而Si(矽)是當今應用最廣的半導體材料，所以矽基的磁性半導體材料也是最重要的。
低能離子束外延技術的一個優點是利用磁分析器的離子提純分析功能，在超高真空條件下可製備其它工藝不易實現的、難提純、難化合、易氧化的特殊材料。稀土元素是易氧化、難提純的物質，用這種方法就可克服這種弱點，使離子達到同位素純度。
p-n結和磁性材料是現代信息技術中不可缺少的基本器件和材料，製備具有磁性的p-n結，對磁電子學發展具有非常重要意義，具有廣泛的應用前景。
本發明的另一目的是製備高溫磁性p-n結，以用於相關器件和電路。
本發明一種磁性p-n結薄膜材料，磁性p-n結是在半導體襯底上製備磁性半導體材料，並且使其載流子和襯底屬於不同的類型；其特徵在於，包括一半導體襯底；在該半導體襯底上直接生長磁性半導體材料，或根據需要在襯底上先外延一層或多層緩衝層後再生長磁性半導體材料。
其中所述的半導體襯底是矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片。
其中所述的磁性半導體是新型的稀磁半導體材料，如矽釓、鎵錳砷、鎵錳銻等。
其中所述的緩衝層可以是非磁性層，如鋁鎵砷，矽鍺等；也可以是磁性層，如鎵錳砷。
其中所述的磁性半導體既可以是單晶形式也可以是多晶形式。
本發明一種磁性p-n結的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1首先選擇一半導體襯底；步驟2用離子束外延、液相外延、濺射、真空沉積或分子束外延等方式在矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片襯底上直接生長磁性外延層。
其中步驟1所述的半導體襯底是矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片。
其中步驟2所述的磁性半導體是新型的稀磁半導體材料，如矽釓、鎵錳砷、鎵錳銻等。
其中步驟2所述的磁性半導體既可以是單晶形式也可以是多晶形式。
其中所述的緩衝層可以是非磁性層，如鋁鎵砷，矽鍺等；也可以是磁性層，如鎵錳砷。
圖2是Gd～Si/Si的I-V曲線圖，
在該半導體襯底上直接生長磁性半導體材料，或根據需要在襯底上先外延一層或多層緩衝層後再生長磁性半導體材料，該緩衝層可以是非磁性層，如鋁鎵砷，矽鍺等；也可以是磁性層，如鎵錳砷。所述的磁性半導體是新型的稀磁半導體材料，如矽釓、鎵錳砷、鎵錳銻等。所述的磁性半導體既可以是單晶形式也可以是多晶形式。
一種磁性p-n結的製備方法，包括如下步驟步驟1首先選擇一半導體襯底，所述的半導體襯底是矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片。步驟2用離子束外延、液相外延、濺射、真空沉積或分子束外延等方式在矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片襯底上直接生長磁性外延層，或根據需要在襯底上先外延一層或多層緩衝層後再生長磁性半導體材料，該緩衝層可以是非磁性層，如鋁鎵砷，矽鍺等；也可以是磁性層，如鎵錳砷；所述的磁性半導體是新型的稀磁半導體材料，如矽釓、鎵錳砷、鎵錳銻等。所述的磁性半導體既可以是單晶形式也可以是多晶形式。
4)測得Gd～Si/Si的I-V曲線如圖2所示，說明樣品具有整流特性。
本發明與現有技術相比具有的積極效果與其它p-n結相比，磁性p-n結兼備了磁性和整流的特徵，而且磁性半導體材料具有居裡溫度高的優點，具有廣泛的應用前景。實現本發明的最好方式(1)實現發明的主要設備半導體薄膜製備設備(如離子束系統、分子束外延系統或雷射澱積系統等)；機械真空泵+擴散真空泵(或其它真空設備)；溫度控制系統；半導體熱處理設備；(2)根據生長設備的具體情況，對生長技術路線進行適當調整。
(3)對於離子束外延系統，靶室靜態真空度優於5×10-8pa，動態真空度優於2×10-5Pa；離子能量10～1500eV(連續可調)；可分選原子量為1～207(H-Pb)；襯底溫度RT(室溫)～500℃連續可調。
(4)對於其它半導體薄膜製備系統的設備參數，視具體情況而定。
(5)磁性p-n結的製備步驟以GaSb(銻化鎵)、GaAs(砷化鎵)、Si(矽)等單晶片為襯底；選擇適當的製備條件，包括襯底溫度，沉膜速率，沉積能量等，設備不同，製備條件也不同；根據需要可以在GaSb(銻化鎵)、GaAs(砷化鎵)、Si(矽)等單晶片襯底上直接生長磁性外延層，也可以先在襯底上生長緩衝層，然後再生長磁性半導體外延層；用離子束外延、液相外延、濺射、真空沉積或分子束外延等設備生長磁性半導體(如GaMnAS(鎵錳砷)，GaMnSb(鎵錳銻)、Gd-Si(釓矽)等)，並且使外延和基片的載流子屬於不同的類型；根據需要可以對獲得的p-n結進行其它工藝處理，如熱處理，光刻，製作電極等。
權利要求
1.一種磁性p-n結薄膜材料，磁性p-n結是在半導體襯底上製備磁性半導體材料，並且使其載流子和襯底屬於不同的類型；其特徵在於，包括一半導體襯底；在該半導體襯底上直接生長磁性半導體材料，或根據需要在襯底上先外延一層或多層緩衝層後再生長磁性半導體材料。
2.根據權利要求1所述的磁性p-n結薄膜材料，其特徵在於，其中所述的半導體襯底是矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片。
3.根據權利要求1所述的磁性p-n結薄膜材料，其特徵在於，其中所述的磁性半導體是新型的稀磁半導體材料，如矽釓、鎵錳砷、鎵錳銻等。
4.根據權利要求1所述的磁性p-n結薄膜材料，其特徵在於，其中所述的磁性半導體既可以是單晶形式也可以是多晶形式。
5.根據權利要求1所述的磁性p-n結薄膜材料，其特徵在於，其中所述的緩衝層可以是非磁性層，如鋁鎵砷，矽鍺等；也可以是磁性層，如鎵錳砷。
6.一種磁性p-n結的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1首先選擇一半導體襯底；步驟2用離子束外延、液相外延、濺射、真空沉積或分子束外延等方式在矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片襯底上直接生長磁性外延層，或根據需要在襯底上先外延一層或多層緩衝層後再生長磁性半導體材料。
7.根據權利要求6所述的磁性p-n結的製備方法，其特徵在於，其中步驟1所述的半導體襯底是矽、銻化鎵、砷化鎵等單晶片。
8.根據權利要求6所述的磁性p-n結的製備方法，其特徵在於，其中步驟2所述的磁性半導體是新型的稀磁半導體材料，如矽釓、鎵錳砷、鎵錳銻等。
9.根據權利要求6所述的磁性p-n結的製備方法，其特徵在於，其中步驟2所述的磁性半導體既可以是單晶形式也可以是多晶形式。
10.根據權利要求6所述的磁性p-n結的製備方法，其特徵在於，其中所述的緩衝層可以是非磁性層，如鋁鎵砷，矽鍺等；也可以是磁性層，如鎵錳砷。
全文摘要
本發明一種磁性p－n結薄膜材料，磁性p－n結是在半導體襯底上製備磁性半導體材料，並且使其載流子和襯底屬於不同的類型；包括一半導體襯底；在該半導體襯底上直接生長磁性半導體材料，或根據需要在襯底上先外延一層或多層緩衝層後再生長磁性半導體材料。
文檔編號H01L21/02GK1452216SQ02105698
公開日2003年10月29日 申請日期2002年4月18日 優先權日2002年4月18日
發明者周劍平, 陳諾夫, 張富強, 劉志凱, 楊少延, 柴春林 申請人:中國科學院半導體研究所