电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜及其制备方法技术

电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜及其制备方法，属于信息技术自旋电子材料领域。该系列氧化物磁性半导体薄膜显示普遍的电输运性质：低电阻率的材料为莫特（Ｍｏｔｔ）变程跃迁电阻，中间电阻率的材料为埃弗洛斯（Ｅｆｒｏｓ）变程跃迁电阻，高电阻率的材料为硬带隙（ｈａｒｄ　　ｇａｐ）电阻。利用磁控溅射或脉冲激光沉积的方法，交替沉积非常薄的铁磁金属层和宽禁带氧化物半导体层在衬底上，通过精确控制薄膜制备过程中的氧分压来调控材料的电输运性质。氧化物磁性半导体薄膜的电输运性质只与材料中氧空位的浓度相关。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电输运性质可调控的宽禁带三元氧化物磁性半导体薄膜及其制备方法，属 于信息技术自旋电子材料领域。技术背景传统的微电子器件的运作是以电子的电荷数目和能量为基础，在速率以及能量消耗方面有其限制；而新型的自旋电子器件的运作是以电子的自旋方向以及自旋-轨道耦合为基 础，在非常低的功率时能有较快的运行速度。科学家己经提出了许多的自旋电子原型器件， 例如自旋发光二极管，自旋场效应晶体管，磁随机存储器，量子计算机等。而磁性半导体 作为实现这些功能器件的非常有前景的材料，近年来也成为自旋电子学领域的研究热点。目前所研究的磁性半导体分为掺杂过渡金属(例如，Fe， Co, Ni， Mn，以及O等) 的UI-V族，IV族，II-VI族三类。其中，III-V族磁性半导体薄膜材料的研究以GaAs，以 及氮化物GaN为主，但是这类材料的居里温度过低，最高报道为173K，远低于室温自旋 电子学器件的应用温度(293K)。 IV族磁性半导体薄膜材料的研究以Ge, Si为主，Ge， Si 与过渡元素容易形成化合物，能否研制成功本征的磁性半导体，目前仍是研究的课题。II -VI族磁性半导体薄膜材料的研究以ZnO和Ti02为主，理论结果表明，在这两种材料里面 可能实现室温的磁性半导体。在这种状况下，梅等人提出了亚纳米复合法制备ZnO基半导体薄膜材料的方法，利 用低温非平衡生长技术，得到了过渡金属掺杂量不受固溶度限制的ZnO基磁性半导体材 料，参见专利文献公开号CN 1858862A (申请号200610043855.8)。另外，颜等人提出了 一种非晶态高掺杂的CoJVxO铁磁性半导体薄膜的制备方法，得到了居里温度高于室温 (300K)，具有良好埃弗洛斯(Efros)变程跃迁电导的铁磁性CoxTi,.xO半导体薄膜，参见 专利文献公开号CN1697095A (申请号200510043640.1)。但是，到目前为止，影响氧化物磁性半导体薄膜材料电输运性质的原因并不清楚，更 不知道如何对电子输运性质进行调控。因此，本专利技术人对影响材料电输运性质的因素进行 了长期的研究，提出本申请。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种电输运性质可调控的宽禁带三元氧化物磁性半 导体薄膜及其制备方法。 术语说明氧分压，即氧气在氧气和氩气的混合溅射气体中所占比例， 低电阻的材料，R=5X10_BQm - 5X10Qm，中间电阻的材料，R=5Xl(TQra - 5X10—3Qm， 高电阻的材料，R=5X10:'fim - 5X10'Qm。 本专利技术的技术方案如下电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜，其特征在于，具有分子通式如下 (AkBx)a(Vv其中，x=0.2 —0.8，a=l-2 ,b=l - 3 ，v=0-0.4 。 A表示非磁性金属元素，选自Zn， Ti， Sn, In或Al; B表示磁性金属元素，选自Fe， Co， Ni或Mn; v表示氧空位含量。该系列氧化物磁性半导体薄膜显示普遍的电输运性质，低电阻的材料为莫特(Mott)变 程跃迁，薄膜电阻率的对数与温度的关系为lnP正比于T' 中间电阻的材料为埃弗洛斯 (Efros)变程跃迁，薄膜电阻率的对数与温度的关系为lnP正比于T';高电阻的材料为 硬带隙(hard gap)电阻，薄膜电阻率的对数与温度的关系为In p °=T'。该系列氧化物磁性半导体薄膜电输运性质通过改变材料中的氧空位来调控。氧空位是 氧化物半导体的一种缺陷。半导体薄膜材料中氧空位的浓度一般可以通过下列方式來调控: l.改变制备过程中的氧气氛，2.在一定氧气氛下进行退火处理。考虑到本专利技术需要在低温 非平衡条件下制备，退火处理会造成相分离，所以本专利技术采用改变制备过程中的氧气氛来 改变样品的氧空位。电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射 或脉冲激光沉积的方法，在衬底上交替沉积铁磁金属层和氧化物半导体层，铁磁层厚度为 2-10A，氧化物层厚度为2-20A，交替沉积周期为30-120。上述的铁磁金属层材料选自Fe, Co, Ni或Mn。上述的氧化物层材料选自ZnO, Ti02, Sn02, 111203或八1203。采用磁控溅射的方法时，控制氧分压的变化范围0-8%。为了精确控制制备过程中氧分压的改变，优选的，本专利技术采用两级氧气含量调控，一 路是纯氩气原始气体，另一路是一定氧气含量的氧气和氩气的混合气体作为原始气体，通 过质量流量计控制两路气体进入溅射室的流景，从而实现控制氧气在最后的混合溅射气体 中所占比例。采用脉冲激光沉积的方法时，真空达到10卞a时，通入氧气，氧气压的变化范围 10 5-10—2Pa。本专利技术优选了以上的氧分压范围，特别发现当氧分压过高时，会导致其它金属氧化物 的出现。本专利技术所用衬底材料选自石英玻璃衬底，石英单晶衬底，单晶硅衬底，单晶Ah03衬 底，单晶SrTi03衬底或普通玻璃衬底。本专利技术人长期实验研究，发现氧空位对氧化物磁性半导体的电输运性质的决定性作 用，并通过精确控制薄膜制备过程中的氧分压，成功地制备了一系列输运性质可调控的氧化物磁性半导体。该系列氧化物磁性半导体的电输运性质对于宽禁带氧化物半导体材料的种类以及磁性过渡金属元素的掺杂量不敏感，而对材料中氧空位的浓度很敏感。 本专利技术高的过渡金属元素掺杂量，使材料有大的磁性，高的居里温度。 本专利技术选用宽禁带半导体，因为材料宽的带隙，具有优良的光学透过性。 本专利技术可调控的电输运性质结合上它的磁性和优良的光学透过性，使它在一些多功能器件，如自旋阀晶体管，自旋光发射二极管，无挥发记忆元件，超快光学开关，及自旋量子器件等方面都有潜在的应用价值。附图说明图1-3为实施例1的不同氧分压下制备的(IH0.26CO0.74)2O3.v氧化物磁性半导体薄膜的电 阻率-温度关系曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但不限于此。 实施例1: (1110.260>。.74)203.、氧化物磁性半导体薄膜的制备及对其电输运性质的调控利用磁控溅射的方法，，溅射室真空抽至5X10—卞a，以纯度99.99%以上的1!1203陶瓷 和纯度99. 99%以上的Co金属为靶材,将ln203置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度99. 99% 以上的高纯Ar气体和含02摩尔比为2%的Ar气体做为溅射气氛，将两种气体分别经由气 体质量流量计进入混气室，在混气室充分混合均匀后，进入溅射室。溅射室压强稳定在 1Pa。通过质量流量计来控制氧分压，在本例中，氧分压分别为0%, 0.096%， 0.136%。在 水冷的普通玻璃衬底上，交替沉积一层0. 5nm的ln203， 一层0. 5nm的Co,交替周期为60。图1-3表示实施例1制得的显示不同电输运性质的(Ino.26COo.74)203.v薄膜的电阻率-温度关系曲线。如图1所示，0%氧分压下制备的(111()_26(:0 ).74)203^薄膜的电阻率的对数lnp ar'，显示莫特(Mott)变程跃迁电阻。如图2所示，0. 09696氧分压下制备的(Ino.26Coo.74)203-v 薄膜的电阻率的对数lnp kt—、显示埃弗洛斯(Efros)变程跃迁电导。如图3所示，O. 本文档来自技高网...

【技术保护点】
电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜，其特征在于，具有分子通式如下：（Ａ↓［１－ｘ］Ｂ↓［ｘ］）↓［ａ］Ｏ↓［ｂ－ｖ］其中，ｘ＝０．２－０．８，ａ＝１－２，ｂ＝１－３，ｖ＝０－０．４。Ａ表示非磁性金属元素，选自Ｚｎ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ｉｎ或Ａｌ；Ｂ表示磁性金属元素，选自Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ或Ｍｎ；ｖ表示氧空位含量。

【技术特征摘要】
1、电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜，其特征在于，具有分子通式如下(A1-xBx)aOb-v其中，x＝0.2-0.8，a＝1-2，b＝1-3，v＝0-0.4。A表示非磁性金属元素，选自Zn，Ti，Sn，In或Al；B表示磁性金属元素，选自Fe，Co，Ni或Mn；v表示氧空位含量。2、 如权利要求1所述的电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜，其特征在于， 低电阻的材料为莫特变程跃迁，薄膜电阻率的对数与温度的关系为lnP正比于T'、中间 电阻的材料为埃弗洛斯变程跃迁，薄膜电阻率的对数与温度的关系为lnp正比于T'、高 电阻的材料为硬带隙电阻，薄膜电阻率的对数与温度的关系为lnp T—'。3、 权利要求1所述的电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜的制各方法，其特征 在于，利用磁控溅射或脉冲激光沉积的方法，在衬底衬底上交替沉积铁磁金属层和氧化物 半导体层，铁磁层厚度为2-10A,氧化物层厚度为2-20 A，交替沉积周期为30-120。4、 如权利要求3所述的电输运性质可调控的氧化物磁性半导体薄膜的制备方法，其特 征在于，所述的铁磁金属层材料选自Fe, Co， Ni或Mn。...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜世申，陈延学，刘国磊，梅良模，田玉峰，乔瑞敏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]