一種ZnGeP2半導體材薄膜的製備方法與流程
2023-04-29 13:56:01
本發明涉及半導體材料製造領域，具體涉及一種ZnGeP2半導體材薄膜的製備方法。
背景技術：
磁性半導體是指非磁性半導體中的部分陽離子被磁性過渡金屬元素或稀土金屬離子取代後形成的磁性半導體。磁性離子摻雜到半導體中形成磁性半導體後，載流子自旋和磁性離子自旋之間存在交換耦合作用，磁性離子自旋可以產生鐵磁性極化作用，將載流子俘獲在鐵磁自旋簇中，形成磁束縛態極子。隨著外加磁場的增加，內部的束縛態磁極化子越來越多的被破壞掉，使更多的載流子被釋放出來參與導電。因此磁性半導體在電學、磁學和光學等方面具有獨特的性質，例如反常霍爾效應、巨負磁阻效應、增強磁光效應等。
目前通過磁性元素摻雜或離子注入等手段可以獲得磁性半導體材料，但是絕大多數磁性材料的居裡溫度(TC)遠低於室溫，如GaMnAs和ZnMnSe磁性材料的居裡溫度分別為110K和50K，無法滿足實際應用的要求。因此，探索具有更高居裡溫度的新型磁性半導體材料具有非常重要的意義。
現有的鐵磁半導體材料大多為薄膜，存在穩定性差、純度低、對製備工藝條件要求高等問題。
技術實現要素：
本發明提供一種ZnGeP2半導體材薄膜的製備方法，該製備方法採用ZnGeP2作為靶材，在經過特殊工藝處理過的絕緣基片上，採用離子濺射工藝沉積得到鐵磁半導體薄膜材料，居裡溫度高，得到的產品穩定性高，性能優良。
為了實現上述目的，本發明提供了一種ZnGeP2半導體材薄膜的製備方法，該方法包括如下步驟：
（1）基片處理
將絕緣基片切削研磨後，依次在酒精、丙酮和去離子水中超聲清洗100-150s；然後，取出、用乾燥氮氣吹乾；
（2）製備ZnGeP2靶材
按摩爾比Zn:Ge:P＝1:1:2的比例分別稱取Zn、Ge和P三種單質原料，將原料一起研磨均勻，裝入石英管內，抽真空後，封燒石英管；
將石英管採用階段性升溫，先以25-35℃/h的升溫速率升至400℃-450℃，恆溫10-15h，繼續升溫至反應溫度850-1000℃，恆溫反應12-15h，最後自然降溫至室溫；
打開石英管，取出結晶較好的料塊，用去離子水清洗乾淨，放置於烘箱中乾燥處理，得到ZnGeP2靶材；
（3）將上述乾燥後的絕緣基片的溫度調至100-150℃，採用磁控濺射法，將所述ZnGeP2在所述絕緣基片上製成所述鐵磁半導體薄膜材料；
磁控濺射製成所述鐵磁半導體薄膜材料的具體條件為，濺射腔壓強1-5Pa，濺射腔氣氛為氬氣，濺射功率為12-15W/cm2，沉積速率為10-100nm/min，濺射時間為3-5h。
優選的，在所述步驟（1）中，所述切削需利用切削液進行，該切削液採用如下工藝製得：
向水中依次加入聚乙二醇、羥乙基乙二胺、三乙醇胺，混合均勻，靜置20min，再加入FA/QB螯合劑，混合攪拌均勻，靜置30min，得到切削液，其中切削液的各組分的重量百分比為：聚乙二醇15-25%，羥乙基乙二胺20-25%，三乙醇胺5-10%，FA/QB螯合劑10-15%，餘量為水。
具體實施方式
實施例一
將絕緣基片切削研磨後，依次在酒精、丙酮和去離子水中超聲清洗100s；然後，取出、用乾燥氮氣吹乾。所述切削需利用切削液進行，該切削液採用如下工藝製得：向水中依次加入聚乙二醇、羥乙基乙二胺、三乙醇胺，混合均勻，靜置20min，再加入FA/QB螯合劑，混合攪拌均勻，靜置30min，得到切削液，其中切削液的各組分的重量百分比為：聚乙二醇15%，羥乙基乙二胺20%，三乙醇胺5%，FA/QB螯合劑10%，餘量為水。
按摩爾比Zn:Ge:P＝1:1:2的比例分別稱取Zn、Ge和P三種單質原料，將原料一起研磨均勻，裝入石英管內，抽真空後，封燒石英管。
將石英管採用階段性升溫，先以25℃/h的升溫速率升至400℃，恆溫10-15h，繼續升溫至反應溫度850℃，恆溫反應12h，最後自然降溫至室溫。
打開石英管，取出結晶較好的料塊，用去離子水清洗乾淨，放置於烘箱中乾燥處理，得到ZnGeP2靶材。
將上述乾燥後的絕緣基片的溫度調至100℃，採用磁控濺射法，將所述ZnGeP2在所述絕緣基片上製成所述鐵磁半導體薄膜材料；
磁控濺射製成所述鐵磁半導體薄膜材料的具體條件為，濺射腔壓強1Pa，濺射腔氣氛為氬氣，濺射功率為12W/cm2，沉積速率為10nm/min，濺射時間為3-5h。
實施例二
將絕緣基片切削研磨後，依次在酒精、丙酮和去離子水中超聲清洗150s；然後，取出、用乾燥氮氣吹乾。所述切削需利用切削液進行，該切削液採用如下工藝製得：向水中依次加入聚乙二醇、羥乙基乙二胺、三乙醇胺，混合均勻，靜置20min，再加入FA/QB螯合劑，混合攪拌均勻，靜置30min，得到切削液，其中切削液的各組分的重量百分比為：聚乙二醇25%，羥乙基乙二胺25%，三乙醇胺10%，FA/QB螯合劑15%，餘量為水。
按摩爾比Zn:Ge:P＝1:1:2的比例分別稱取Zn、Ge和P三種單質原料，將原料一起研磨均勻，裝入石英管內，抽真空後，封燒石英管。
將石英管採用階段性升溫，先以35℃/h的升溫速率升至450℃，恆溫15h，繼續升溫至反應溫度1000℃，恆溫反應15h，最後自然降溫至室溫。
打開石英管，取出結晶較好的料塊，用去離子水清洗乾淨，放置於烘箱中乾燥處理，得到ZnGeP2靶材。
將上述乾燥後的絕緣基片的溫度調至150℃，採用磁控濺射法，將所述ZnGeP2在所述絕緣基片上製成所述鐵磁半導體薄膜材料；
磁控濺射製成所述鐵磁半導體薄膜材料的具體條件為，濺射腔壓強5Pa，濺射腔氣氛為氬氣，濺射功率為15W/cm2，沉積速率為100nm/min，濺射時間為5h。