掺杂的稀土氮化物材料和包含其的器件制造技术

本发明专利技术公开了镁掺杂的稀土氮化物材料，其中的一些为半绝缘的或绝缘的。本发明专利技术还公开了制备所述材料的方法。所述镁掺杂的稀土氮化物材料可以用于例如电子自旋器件、电子器件和光电器件的制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及稀土氮化物半导体，更具体地涉及镁掺杂的稀土氮化物材料，其中的一些是半绝缘的或绝缘的。本专利技术还涉及制备所述材料的方法，和包含所述材料的器件。
技术介绍
稀土具有57(La)-71(Lu)的原子序数，且包括4f轨道被填入的元素，即：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、和镥(Lu)。它们具有原子组态[Xe]6s25d14fn或[Xe]6s24fn+1，n由La的0变至Lu的14。它们的最常见的离子电荷状态为3+，具有跨费密能级的4f能级。它们为具有多于边缘填充的f-壳电子轨道的唯一稳定的元素，因此它们为具有最大的自旋和轨道距的元素。在有序的固体中，它们对最强的铁磁材料有贡献，此贡献已确保它们在需要强的永磁体的技术中的实用性。尽管具有此名称，但除了不具有稳定的核同位素的钷以外它们并不稀有。稀土氮化物在面-心立方体NaCl结构中形成，晶格常数范围为从LaN的至LuN的整个系列总计有10％的差异且邻近的原子种类的氮化物之间有约0.7％的差异。稀土氮化物最初在1960年被研究，当时技术进步克服了分离稀土系列的化学相似的成员的分离中遇到的问题。稀土氮化物具有有趣的磁性质和电性质。稀土氮化物具有通常为1eV数量级的光能带隙，且几乎全部为铁磁性的，整个系列变化很大的磁状态和强烈取决于生长条件的矫顽场。例如，SmN为唯一已知的近零矩铁磁半导体，具有巨大的矫顽场，且GdN具有小三个数量级的矫顽场。稀土氮化物在例如电子自旋、红外(IR)检测器的应用中前途光明，并且作为III族氮化物半导体化合物的触点。例如，稀土氮化物已被用于旋转滤波器约瑟夫森结和场效应晶体管结构的制造中。稀土氮化物也是与III族氮化物半导体外延相容的材料，所述II族氮化物半导体对于例如光电子器件和大功率晶体管的制造是技术上重要的一类材料。稀土氮化物的性质也与III族氮化物的性质互补。涉及这两种半导体材料的异质结对于多波长光子器件和自旋发光二极管可具有非常吸引人的性质。例如，已显示GdN量子点增强GaN隧道结的效力。尤其是，半绝缘的和绝缘的稀土氮化物层，任选地与III族氮化物组合，可以用于例如自旋电子器件、电子器件和光电器件的制造。这样的层可以避免例如泄漏电流或所述器件的射频性能的降低。稀土氮化物的高质量外延薄膜可以使用基于超高真空(UHV)的方法例如分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、和DC/RF磁控溅射来生长。然而，这样的基于UHV的方法通常导致无意掺杂的膜，所述膜在室温下具有0.05-10mΩ.cm数量级的电阻率和范围为1020-1022cm–3的与背景电子载流子浓度相关的n-型残余掺杂浓度，其源于氮空位且取决于生长条件。因此，本专利技术的目的是或多或少避免上述缺点；和/或至少为公众提供可用的选择。本专利技术的其它目的可以由仅以实施例的方式给出的以下描述而变得明显。已被包括在本说明书中的对于文献、动作、材料、设备、物体等的任何讨论仅用于为本专利技术提供语境的目的。不承认这些中的任意或全部形成现有技术的一部分或为由于其在优先权日期之前存在而成为本专利技术相关的领域中的公知常识。
技术实现思路
在第一个方面，本专利技术提供了镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：氮化镧(LaN)、氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、氮化镱(YbN)、和氮化镥(LuN)，及其任意两种或多种的合金。在第二个方面，本专利技术提供了制备本专利技术的镁掺杂的稀土氮化物材料的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在存在镁源的情况下将稀土和氮源结合，并沉积镁掺杂的稀土氮化物材料。在第三个方面，本专利技术提供了通过第二个方面的方法制备的镁掺杂的稀土氮化物材料。本专利技术还提供了可通过第二个方面的方法获得的镁掺杂的稀土氮化物材料。本专利技术还提供了包含本专利技术的镁掺杂的稀土氮化物材料的器件。本专利技术还可以概括地说单独地或集合地包含本专利技术的说明书中提及或指出的部分、元素和特征，以及任意两个或多个所述部分、元素或特征的任意的或全部的组合，且当此处提及在本专利技术涉及的
中具有已知等价物的具体整数时，这样的已知等同物被视为引入此处，如同单独说明。此外，当用Markush族描述本专利技术的特征或方面时，本领域技术人员应理解也因此根据Markush族的任何单独的成员或成员的子集描述本专利技术。本文中使用的术语“和/或”指“和”或“或”两者。此说明书中使用的术语“包含”指“至少部分地由其组成”。当解释包括术语“包含”的说明书中的各陈述时，除了所述术语之后的那个或那些特征之外的特征也可以存在。相关术语例如“含”和“包括”也将以相同的方式解释。此说明书使用的术语“半绝缘”指镁掺杂的稀土氮化物材料在室温下具有约103Ω.cm至约1010Ω.cm的电阻率。此说明书使用的术语“绝缘”指镁掺杂的稀土氮化物材料在室温下具有大于约1010Ω.cm的电阻率。对于此处公开的数字的范围(例如1-10)意图还包括对于此范围内的所有有理数(例如1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9和10)以及该范围内的任意的有理数范围(例如2-8、1.5-5.5和3.1-4.7)的引用，并且因此此处明确地公开的所有范围的所有子范围都在此明确地公开。这些仅是具体期望的实例，且应认为列举的最低值和最高值之间的所有可能的数值的组合都以相似的方式明确地陈述于此申请中。尽管本专利技术广泛地如上所定义，但本领域技术人员应理解本专利技术不限于此且本专利技术还包括以下描述给出实例的实施方案。附图说明将参考附图描述本专利技术，其中：图1显示了在包含沉积于硅上的AlN缓冲层的衬底上的Mg-掺杂的GdN层的结构的截面扫描电子显微镜图像，所述Mg-掺杂的GdN层具有GaN覆盖层；图2显示了Mg-掺杂的GdN层和未掺杂的GdN层的(111)x-射线摇摆曲线；图3显示了在包含沉积于硅上的AlN缓冲层的衬底上的Mg-掺杂的GdN层的次级离子质谱法镁曲线，所述Mg-掺杂的GdN层具有GaN覆盖层；图4(a)显示可Mg-掺杂的GdN层的平面内零场冷却磁化(in-planezerofield-cooledmagnetisation)；图4(b)显示了Mg-掺杂的GdN层的场依存性磁化(field-dependentmagnetisation)；以及图5显示了Mg-掺杂的GdN层的电阻率随电子载流子浓度的变化。具体实施方式难以使用已知的基于UHV的方法生长半绝缘和绝缘的稀土氮化物材料。所述基于UHV的方法通常导致无意掺杂的薄膜，所述薄膜当为外延时，在室温下具有约0.05-10mΩ.cm的电阻率和范围为1020-1022cm–3的与背景电子载流子浓度相关的n-型残余掺杂浓度，其源于氮空位且取决于生长条件。然而，本专利技术提供了镁掺杂的稀土氮化物材料，其中的一些为半绝缘的和绝缘的。本专利技术还提供了通过用为受体掺杂剂种类的镁掺杂生长中的稀土氮化物材料以补偿供体种类并增加电阻率，来制备这样的材料的方法。本专利技术的方法使本文档来自技高网...

【技术保护点】
镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：氮化镧(LaN)、氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、氮化镱(YbN)、和氮化镥(LuN)，及其任意两种或多种的合金。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.02 NZ 6233391.镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：氮化镧(LaN)、氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、氮化镱(YbN)、和氮化镥(LuN)，及其任意两种或多种的合金。2.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中与未掺杂的稀土氮化物材料相比，所述镁掺杂的稀土氮化物材料具有增加的电阻率。3.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料的电阻率为至少约25Ω.cm。4.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料的电阻率为至少约103Ω.cm。5.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料的电阻率为约103Ω.cm-约1010Ω.cm。6.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料的电阻率为至少约1010Ω.cm。7.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：LaN、PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、TmN、和LuN，及其任意两种或多种的合金。8.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN，及其任意两种或多种的合金。9.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN，及其任意两种或多种的合金。10.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：LaN、PrN、NdN、SmN、GdN、TbN、DyN、HoN、ErN、TmN、和LuN。11.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：NdN、SmN、EuN、GdN、DyN、HoN、ErN、和YbN。12.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：NdN、SmN、GdN、DyN、HoN、和ErN。13.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物为GdN。14.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物为稀土氮化物合金。15.如权利要求14所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述稀土氮化物合金选自由以下组成的组：(Sm,Gd)N、(Gd,Ho)N、和(Gd,Dy)N。16.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其包含约1018-1021个镁原子/cm3。17.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其还包含一种或多种额外的掺杂剂。18.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其包含少于约1021个原子/cm3的额外一种或多种掺杂剂或其它杂质。19.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料在约50K以下为铁磁性的。20.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料在约70K以下为铁磁性的。21.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料具有与未掺杂的稀土氮化物基本上相同的XRD测量。22.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料为薄膜。23.如权利要求22所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述膜厚度为约1-2000nm。24.如权利要求22所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述薄膜是在衬底上。25.如权利要求24所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料与衬底外延。26.如权利要求24所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述衬底包含与所述镁掺杂的稀土氮化物材料接触的缓冲层。27.如权利要求1所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材料被覆盖。28.如权利要求27所述的镁掺杂的稀土氮化物材料，其中覆盖层与所述镁掺杂的稀土氮化物材料外延。29.制备镁掺杂的稀土氮化物材料的方法，其中所述稀土氮化物选自由以下组成的组：氮化镧(LaN)、氮化镨(PrN)、氮化钕(NdN)、氮化钐(SmN)、氮化铕(EuN)、氮化钆(GdN)、氮化铽(TbN)、氮化镝(DyN)、氮化钬(HoN)、氮化铒(ErN)、氮化铥(TmN)、氮化镱(YbN)、和氮化镥(LuN)，及其任意两种或多种的合金，所述方法包括以下步骤：(a)在存在镁源的情况下将稀土和氮源结合，并沉积所述镁掺杂的稀土氮化物材料。30.如权利要求29所述的方法，其中与未掺杂的稀土氮化物材料相比，所述镁掺杂的稀土氮化物材料具有增加的电阻率。31.如权利要求29所述的方法，其中所述镁掺杂的稀土氮化物材...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·纳塔利，B·J·鲁克，H·J·特罗达尔，S·A·韦齐恩，
申请(专利权)人：F·纳塔利，B·J·鲁克，H·J·特罗达尔，S·A·韦齐恩，
类型：发明
国别省市：新西兰;NZ