一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體技術領域，特別是指一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，尤其是指一種用激光分子束外延(LMBE)方法在藍寶石(Al2O3)襯底上沉積GaN半導體薄膜材料，然后再利用熱擴散工藝在固態源高溫擴散爐中進行Gd摻雜，從而制備出GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法。
【背景技術】
[0002]稀磁半導體材料(Diluted Magnetic Semiconductor, DMS)因兼具磁性材料和半導體材料的雙重特性，可同時利用電子的電荷性質及自旋性質而引起廣泛地關注。這類材料具有一系列不同于常規半導體的磁學、光學和電學特性，如巨塞曼效應、巨磁阻效應、巨法拉第效應以及反常霍爾效應等，這些效應不僅具有重要的基礎理論研究價值，而且在新一代光電器件、傳感器件、高速靜態存儲器件以及量子計算和量子通信器件等方面具有廣闊的應用前景。
[0003]通常用于半導體器件研制的都是薄膜材料，而可實際應用的稀磁半導體薄膜材料必須滿足兩個條件??第一，稀磁半導體薄膜材料的居里溫度(T。)達到或高于室溫；第二，稀磁半導體薄膜材料要與現有的半導體器件制造工藝兼容。2005年,物理類權威雜志Physical Review Letters (PRL 2005; 94: 037205)報道了 GaN:Gd 稀磁半導體薄膜材料具有室溫鐵磁性。另外，GaN半導體薄膜材料的半導體制造工藝已經發展的比較完善，在光發射、光存儲以及光探測等領域有廣闊的應用前景。因此，以GaN半導體薄膜材料為基礎的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料滿足上面提到的兩個條件，目前已經成為國內外科研工作者研究的熱點之一。
[0004]在信息領域方面，GaNiGd稀磁半導體薄膜材料使信息處理和信息存儲同時進行，元件的結構大大簡化，功能卻大大增強，可在新一代的光電器件、高速靜態存儲器件、傳感器件，以及量子通信器件等諸多方面有很大的應用。在能源方面，GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料可應用于太陽能電池。摻雜的Gd離子在GaN半導體薄膜材料的帶隙中引進額外的中間帶，這樣原本能量小于帶隙的光子，有機會被吸收，因而增加了光電流，提高了太陽能電池的效率。因此，制備高質量的、可實際應用的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料具有很重要的意義。
[0005]目前，制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的主要方法有分子束外延(MBE)以及金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)等，但這些方法存在摻雜效率比較低、設備維護成本高、原材料價格昂貴、生產周期長以及尾氣處理過程復雜等弊端。本發明提供了一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，具有摻雜效率高、制備成本低、生產周期短以及尾氣處理簡單等優點，可大大提高生產效率和經濟效益。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種制備GaN = Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，能夠在藍寶石襯底上制備出高質量的GaN = Gd稀磁半導體薄膜材料。為實現上述目的，本發明的技術方案可分為三步:
第一步，利用激光分子束外延方法在藍寶石襯底上生長GaN半導體薄膜材料；
第二步，將原生的GaN半導體薄膜材料在生長室內進行原位退火；
第三步，將退火后的GaN半導體薄膜材料取出來，然后放入高溫擴散爐中進行Gd摻雜。
[0007]所述的一種制備GaN = Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，第一步中所用的靶材是高純GaN粉末經過研磨，壓片，燒結，而制成的陶瓷靶。其直徑為30 mm，厚度為4 mm。所用的襯底為(0001)方向的藍寶石晶片。在開始制備薄膜之前，用無水乙醇、丙酮和去離子水對襯底材料進行多次超聲振蕩清洗。所用激光器為KrF準分子激光器，激光能量設定為150?250 mJ/Puls，脈沖頻率為I?10 Hz0在生長過程中，襯底溫度保持在600°C?800°C，靶和襯底的距離保持在4 cm?8 cm,生長室內的氮氣壓強保持在0.1 Pa?10 Pa。
[0008]所述的一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，第二步中向生長室通入高純氨氣，待氨氣壓強達到一個大氣壓開始升高襯底溫度，使其在高溫下保持一段時間，進行原位退火。退火完畢，關閉襯底加熱裝置，最后向生長室通入高純氮氣，目的是排出里面的氨氣，將尾氣通入洗氣瓶以吸收掉有害氣體。典型的退火溫度為900°C?1000°C，典型的退火時間為10 min?30 min。
[0009]所述的一種制備GaN = Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，第三步中的摻雜是在固態源高溫擴散爐中進行的，所用的摻雜源為GaN粉末和Gd粉末的混合物，整個擴散過程都通入氮氣進行保護。其中Gd的摻雜濃度可以通過調節GaN粉末和Gd粉末的比例來進行調節。典型的擴散溫度為900°C ~1100°C，典型的擴散時間為10 mirT30 min。
[0010]本發明所述的一種制備GaN = Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，具有摻雜效率高、制備成本低、生產周期短以及尾氣處理簡單等優點，它克服了傳統薄膜制備技術中存在的摻雜效率低、制備成本高、生產周期長以及尾氣處理復雜等缺點。本發明制備的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料具有結晶質量好、薄膜厚度均勻、表面粗糙度低、室溫鐵磁性等特點，可應用于新型稀磁半導體功能器件的研制。
【附圖說明】
[0011]圖1是激光分子束外延設備的結構示意圖；
圖2是激光分子束外延設備生長室的示意圖；
圖3是固態源高溫擴散爐示意圖；
圖4是所制備的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料典型的X射線衍射圖；
圖5是所制備的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料典型的表面形貌；
圖6是所制備的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料典型的變溫磁化曲線。
[0012]圖中I進樣室；2傳遞桿；3閥門；4閥門；5生長室；6真空系統；7透鏡；8入射激光；9電機；10襯底托；11觀察窗；12可換位靶托；13流量計；14電機；15閥門；16石英爐管；17石英舟；18閥門。
【具體實施方式】
[0013]請同時參閱圖1、圖2和圖3，下面結合具體生長工藝進一步說明本發明的技術特征。
[0014](I)在制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料之前，先將襯底用丙酮超聲清洗兩次，每次10分鐘，每次清洗后都用去離子水沖洗2分鐘左右，然后用乙醇超聲清洗10分鐘，最后用去離子水沖洗干凈，烘干備用。
[0015](2)將GaN陶瓷靶通過進樣室I的閥門3放到傳遞桿2上。開啟真空系統6的機械泵，當生長室5內的壓強到達10 Pa以下時，開啟真空系統6的分子泵，抽取4小時左右，系統背景真空即可達到5X10 5 Pa以下。然后借助傳遞桿2通過閥門4將GaN陶瓷靶放入到生長室5內的可換位靶托12的一個靶位上，操作過程中可以通過觀察窗11進行觀察。靶和襯底間的距離保持為5cm。
[0016](3)打開襯底托10上的襯底加熱裝置，待襯底溫度達到700°C后通過調節流量計13向生長室通入高純氮氣，將氮氣背景壓強調到1.5 Pa。
[0017](4)調節光路，使入射激光8通過透鏡7能夠以45°角入射到GaN靶心上，開始沉積GaN半導體薄膜材料，沉積時間為60 min。制備過程中電機9和電機14分別帶動襯底托10和可換位靶托12以相反的方向繞軸轉動，轉速為7 r/min。這樣可以使制備的薄膜厚度均勻。
[0018](5)待GaN半導體薄膜材料生長完畢，關閉真空系統6，向生長室5內通入高純氨氣。待氨氣壓強達到一個大氣壓，開始升高襯底溫度使其在950°C下保持25 min，進行原位退火。退火完畢，關閉襯底加熱裝置，向生長室通入高純氮氣以排除里面的氨氣，將尾氣通入洗氣瓶以吸收掉有害氣體。退火后的樣品在氮氣的保護下自然冷卻。
[0019](6)取出退火后的GaN半導體薄膜材料，然后放入固態源高溫擴散爐的石英舟17上，再在GaN半導體薄膜材料表面上均勻地覆蓋一層Gd粉末，最后將載有樣品的石英舟放到石英爐管16的中心。將高純氮氣通過閥門15通入石英爐管16，保持氮氣流量為10 seem.打開擴散爐的加熱裝置，使其以10°C /min的速度升溫至1000°C，保持15 min。擴散完畢，關閉擴散爐的加熱裝置，使其在氮氣流中自然冷卻。擴散過程中的尾氣通過閥門18通入洗氣瓶進行處理。
[0020]按照上述技術路線制備的GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料具有較好的結晶質量和表面形貌，同時具有室溫鐵磁性。X射線衍射實驗表明GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的晶體結構屬于纖鋅礦結構，具有C軸擇優取向，如圖4所示。原子力顯微鏡測試表明，上述GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料具有較好的表面形貌，其表面粗糙度約為1.84 nm，如圖5所示。變溫磁化曲線表明，上述GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料具有室溫鐵磁性，其居里溫度可用外插法進行推算，約為340K，如圖5所示。
【主權項】
1.一種制備GaN: Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，其特征在于技術方案可分三步:第一步，利用激光分子束外延方法在藍寶石襯底上生長GaN半導體薄膜材料；第二步，將原生的GaN半導體薄膜材料在生長室內進行原位退火；第三步，將退火后的GaN半導體薄膜材料在固態源高溫擴散爐中進行Gd摻雜。2.根據權利要求1所述的一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，其特征在于將退火后的GaN半導體薄膜材料在固態源高溫擴散爐中，利用高溫擴散工藝進行Gd摻雜。3.根據權利要求1所述的一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，其特征在于用GaN粉末和Gd粉末的混合物作為固態摻雜源。4.根據權利要求1所述的一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，其特征在于通過調節GaN粉末和Gd粉末的比例來調節Gd的摻雜濃度。
【專利摘要】稀磁半導體薄膜材料中會出現很多新奇的物理性質，而這些新奇的物理性質為新型自旋器件的研制提供了更廣闊的空間，使其在磁感應器、高密度非易失性存儲器、光隔離器、半導體激光器和自旋量子計算機等領域有廣闊的應用前景，已成為材料領域中的研究熱點之一。本發明屬于半導體技術領域，提供了一種制備GaN:Gd稀磁半導體薄膜材料的方法，其特征在于用激光分子束外延方法在藍寶石襯底上沉積GaN薄膜材料，然后再利用熱擴散工藝進行Gd摻雜。本方法具有摻雜效率高、制備成本低、生產周期短以及尾氣處理簡單等優點，可大大提高生產效率和經濟效益。
【IPC分類】C23C16/48, C23C16/56, H01F41/22, C23C16/34
【公開號】CN105088184
【申請號】CN201410191308
【發明人】高興國
【申請人】齊魯工業大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2014年5月8日