本发明专利技术采用金属有机物化学气相外延生长技术ＭＯＣＶＤ通过Ｍｎ掺杂，在蓝宝石衬底材料上生长ＧａＭｎＮ稀释磁性半导体，可获得多种浓度、具有明显的室温铁磁性的ＧａＭｎＮ稀释磁性半导体薄膜材料。该方法生长的Ｍｎ掺杂稀释磁性半导体材料ＧａＭｎＮ薄膜可用于自旋电子学器件，依据不同的器件应用生长不同的外延结构，可以制备自旋场效应管，自旋发光二极管，应用于量子计算等领域。本发明专利技术可有效地控制ＧａＭｎＮ材料的生长，获得高质量的Ｍｎ掺杂的ＧａＮ薄膜材料，研究发现Ｍｎ掺杂的ＧａＮ的本征磁性为顺磁性。本发明专利技术与现有的半导体材料生长工艺完全兼容，在材料生长掺杂技术以及生长工艺上属于首次。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用金属有机化学气相外延技术制备GaMnN铁磁性薄膜的方法， 尤其是用金属有机物化学气相外延生长技术MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor D印osition)通过Mn掺杂生长技术在蓝宝石衬底材料上生长GaMnN稀释磁性半导体薄 膜材料的方法及其应用。该方法生长的Mn掺杂稀释磁性半导体材料GaMnN薄膜可用 于自旋电子器件和磁光器件等新型量子器件中。
技术介绍
一般来说，传统的半导体材料都是不具备磁性的。而DMS材料，也就是稀释半导 体材料(Diluted Magnetic Semiconductor)是利用磁性过渡族金属离子或者稀土离子部 分取代半导体材料中的非磁性阳离子，形成的一种磁性半导体材料。信息处理，集成电路和高频大功率器件是半导体中电荷特性被应用的范例，这利用 的是电子的电荷自由度。而存储器，磁光盘等存储器件是利用电子的自旋自由度来存储 信息的。DMS材料可同时利用电子电荷自由度和电子自旋自由度来工作，由于基质半 导体和掺杂原子之间的电子相互转移和相互作用，使得DMS材料在又具有很多独特的 物理性质，如巨Zeeman效应、磁光效应的加强、巨负磁阻效应和反常霍尔效应等，很 有希望应用于自旋电子器件和磁光器件等新型量子器件中。对于稀磁半导体(DMS)材料来说，如果能够应用于器件制备，有两个基本要求 高于室温的居里温度(Tc)和基于半导体材料以便可以对载流子进行控制。(In,Mn)As 和(Ga,Mn)As的研制成功是DMS材料发展的重要里程碑，但是它们的居里温度分别为 35K和110K。由于III一V族半导体材料具有优异的电学和光学性能。所以目前广泛地 作为制备DMS材料的基质材料。GaMnN就是基于III一 V族半导体材料GaN的一种新型DMS材料，理论计算和实 验都证明了 GaMnN材料具有高于室温的铁磁性。是一种非常有发展前景的DMS材料。 但是在合成GaMnN方面有许多难点，比如在合成过程中Mn和N容易形成八面体结构， 而Ga和N优先形成四面体结构，Mn金属的饱和蒸汽压比镓金属的饱和蒸汽压高100 倍等。当引入Mn离子时，容易产生MnGa合金，而不是GaMnN合金，Mn不容易取 代Ga位形成固溶体。所以研制合适的合成GaMnN方法是必要的也是必须的。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是现有技术在合成GaMnN方面存在许多难点，需要研制一 种合适的合成GaMnN的方法，并可应用于自旋电子器件和磁光器件等新型量子器件中。本专利技术的技术方案是GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的制备方法，采用金属有 机物化学气相沉积MOCVD生长方法，(1)在蓝宝石衬底上高温氮化处理衬底材料， 在MOCVD生长系统中通入H2、 N2或H2和N2混合气体，在1000-110(TC温度情况下 对蓝宝石衬底进行衬底表面处理，时间为5-60分钟；(2)生长低温GaN缓冲层，在保 持H2和N2气体载气不变的情况下，再在400-600'C温度下通入流量分别控制在的 0.1-5slm和l-10sccm的氨气和有机镓源，生长低温GaN缓冲层；(3)生长高温GaN缓 冲层，在900-1150。C温度下通入与生长低温GaN缓冲层同样流量范围的氨气和有机镓 源，生长厚度在0.5um-2um的高温GaN缓冲层；低温和高温GaN缓冲层的厚度均为 0.5um-2um; (4)在GaN高温缓冲层上通过Mn掺杂控制合成生长GaMnN稀释磁性半 导体薄膜材料，在800-110(TC温度下通入流量范围分别为0.1-5slm、 l-50sccm和 10-5000sccm的氨气、有机镓源和Mn摻杂剂，根据所需材料厚度控制时间生长GaMnN 稀释磁性半导体薄膜材料；生长过程中控制反应源冷井温度分别为TMGaO±3°C; Cp2Mn 40士5。C;生长腔压力保持5-500Torr。本专利技术有机镓源为三甲基镓，流量为l-50sccm; NH3气流量为0.1-5shn;掺杂剂为 二茂锰CP2Mn，流量为10-5000sccm;生长时间大于10分钟。另还掺入二茂锰Cp2Mn，流量为10-5000sccm， 二茂锰反应源冷井温度40°C 。通入 不同Cp2Mn流量可以控制N和Mn在反应中的原子比，从而获得不同掺杂浓度的 GaMnN薄膜。本专利技术所有反应源都由载气携带，通过气体流量控制器控制测量，并由载气通过金 属管路带入反应腔。其中单位slm为每分钟升；，seem为每分钟毫升。在研制GaMnN 稀释磁性半导体薄膜材料工艺技术中，宝石衬底的两步处理方法、高温GaN缓冲层的 采用、在MOCVD系统中同时通入氨气、三甲基镓和二茂锰CP2Mn,以及这三种源流 量控制、生长温度和源温度的控制以及生长腔压力的控制等是本专利技术的关键。本专利技术利用MOCVD生长技术，采用蓝宝石衬底和Mn掺杂技术，直接高温氮化处 理衬底材料然后生长低温GaN和高温GaN缓冲层技术，再在GaN缓冲层上通过Mn 掺杂控制合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的技术。通过对不同生长层生长温 度、生长源流量控制等工艺参数选择控制，合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料。本专利技术采用金属有机物化学气相外延生长技术MOCVD通过Mn掺杂，在蓝宝石衬 底材料上生长GaMnN稀释磁性半导体，可获得多种浓度、具有明显的室温铁磁性的 GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料。该方法生长的Mn掺杂稀释磁性半导体材料GaMnN 薄膜可用于自旋电子学器件，这种器件的优点是更快数据处理能力，功耗小及其它潜在 的用途。依据不同的器件应用生长不同的外延结构，可以制备自旋场效应管，自旋发光 二极管，应用于量子计算等领域。本专利技术可有效地控制GaMnN材料的生长，获得高质 量的Mn掺杂的GaN薄膜材料，研究发现Mn掺杂的GaN的本征磁性为顺磁性。本发 明与现有的半导体材料生长工艺完全兼容，在材料生长掺杂技术以及生长工艺上属于首 次。附图说明图1为本专利技术GaMnN薄膜材料典型样品的XRD谱线，Mn含量为2.7%,低于2.7%Mn 含量的样品和2.7MMn含量样品谱线相同，图中未给出。图2 (a)， (b)， (c)分别为Ga， N， Mn元素的EDS沿薄膜剖面的线扫描分布图。 图3为本专利技术293K温度下GaMnN薄膜材料典型样品的Mn 2; 轨道XPS谱，Mn含量 为2.7%。图4为本专利技术GaMnN薄膜材料典型样品的磁化强度与磁场的依赖关系图，Mn含量为 2.7%。具体实施方式本专利技术利用MOCVD生长技术，采用蓝宝石衬底和Mn掺杂技术，直接高温氮化处 理衬底材料然后生长低温GaN和高温GaN缓冲层技术，再在GaN缓冲层上通过Mn 掺杂控制合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的技术。通过对不同生长层生长温 度、生长源流量控制等工艺参数选择控制，合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料。 具体包括以下几步1) 利用MOCVD生长技术，采用蓝宝石衬底和Mn掺杂技术，直接高温氮化处理 衬底材料然后生长低温GaN和高温GaN缓冲层两步法技术，再在GaN缓冲层上通过 Mn掺杂控制合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的技术。2) 首先在MOCVD生长系统中通入H2、 N2或H2和N2气体对本文档来自技高网...
【技术保护点】
ＧａＭｎＮ稀释磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征是采用金属有机物化学气相沉积ＭＯＣＶＤ生长方法，（１）在蓝宝石衬底上高温氮化处理衬底材料，在ＭＯＣＶＤ生长系统中通入Ｈ↓［２］、Ｎ↓［２］或Ｈ↓［２］和Ｎ↓［２］混合气体，在１０００－１１００℃温度情况下对蓝宝石衬底进行衬底表面处理，时间为５－６０分钟；（２）生长低温ＧａＮ缓冲层，在保持Ｈ↓［２］和Ｎ↓［２］气体载气不变的情况下，再在４００－６００℃温度下通入流量分别控制在的０．１－５ｓｌｍ和１－１０ｓｃｃｍ的氨气和有机镓源，生长低温ＧａＮ缓冲层；（３）生长高温ＧａＮ缓冲层，在９００－１１５０℃温度下通入与生长低温ＧａＮ缓冲层同样流量范围的氨气和有机镓源，生长厚度在０．５ｕｍ－２ｕｍ的高温ＧａＮ缓冲层；低温和高温ＧａＮ缓冲层的厚度均为０．５ｕｍ－２ｕｍ；（４）在ＧａＮ高温缓冲层上通过Ｍｎ掺杂控制合成生长ＧａＭｎＮ稀释磁性半导体薄膜材料，在８００－１１００℃温度下通入流量范围分别为０．１－５ｓｌｍ、１－５０ｓｃｃｍ和１０－５０００ｓｃｃｍ的氨气、有机镓源和Ｍｎ掺杂剂，根据所需材料厚度控制时间生长ＧａＭｎＮ稀释磁性半导体薄膜材料；生长过程中控制反应源冷井温度分别为ＴＭＧａ ０±３℃；Ｃｐ↓［２］Ｍｎ ４０±５℃；生长腔压力保持５－５００Ｔｏｒｒ。...
【技术特征摘要】
1、GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征是采用金属有机物化学气相沉积MOCVD生长方法，(1)在蓝宝石衬底上高温氮化处理衬底材料，在MOCVD生长系统中通入H2、N2或H2和N2混合气体，在1000-1100℃温度情况下对蓝宝石衬底进行衬底表面处理，时间为5-60分钟；(2)生长低温GaN缓冲层，在保持H2和N2气体载气不变的情况下，再在400-600℃温度下通入流量分别控制在的0.1-5slm和1-10sccm的氨气和有机镓源，生长低温GaN缓冲层；(3)生长高温GaN缓冲层，在900-1150℃温度下通入与生长低温GaN缓冲层同样流量范围的氨气和有机镓源，生长厚度在0.5um-2um的高温GaN缓冲层；低温和高温GaN缓冲层的厚度均为0.5um-2um；(4)在GaN高温缓冲层上通过Mn掺杂控制合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料，在800-1100℃温度下通入流量范围分别为0.1-5slm、1-50sccm和10-5000sccm的氨气、有机镓源和Mn掺杂剂，根据所需...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢自力，张荣，崔旭高，陶志阔，修向前，韩平，陈鹏，赵红，刘斌，李弋，宋黎红，崔颖超，施毅，郑有炓，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。