專利名稱：：Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜及其制備方法
技術領域：
：本發明涉及一種高載流子濃度n型并且具有室溫鐵磁性能的ZnO基稀磁半導體薄膜制備方法。
背景技術：
：稀磁半導體(DilutedMagneticSemiconductors-DMS)是在半導體材料中通過摻雜引入磁性離子，使磁性離子部分地取代半導體中的非磁性陽離子，形成同時具有電子電荷和自旋雙重性質的一種材料，可以用來制備各種超低能量消耗高密度的信息存儲器、邏輯器和自旋偏振光發射器等集成了光、電、磁功能的新型器件。稀磁半導體是具有自旋極化的半導體，通常稀磁半導體的制備是采用少量3d過渡族元素摻入到半導體材料中使之產生鐵磁性，而同時保持其半導體特性。ZnO基DMS材料的研究目前還處于基礎研究階段，如要應用則必須同時解決高載流子濃度與室溫鐵磁性的問題。
發明內容本發明的目的是提供一種操作簡單、成本低廉的Co-Ga共摻雜生長高載流子濃度的n型，并且具有室溫鐵磁性能的ZnO基稀磁半導體薄膜及其制備方法。本發明的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜，其Co的摩爾百分含量為2^x^10%，Ga的摩爾百分含量為l^x^3%。Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜的制備方法，包括以下步驟1)稱量純ZnO、Co203、Ga203粉末，其中Co的摩爾百分含量為2^x^10%，Ga的摩爾百分含量為1^^3M。將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000130(TC溫度下燒結，制得Zn(Co，Ga)O陶瓷耙；2)將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，保持靶材與襯底之間的距離為46cm，生長室真空度抽至小于8.0xl0"Pa，襯底加熱升溫到35070(TC，生長室通入02氣體，控制壓強為215Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕耙材，沉積在襯底上，得到Co-Ga共摻雜生長n型ZnO基稀磁半導體薄膜，然后在50Pa氧氣氛下冷卻至室溫。上述的襯底可以是硅或藍寶石或氧化鋅或石英或玻璃。本發明的優點是1)釆角激光脈沖沉積技術生長，工藝成熟，操作簡單，易于實現；32)Co-Ga共摻ZnO薄膜同時具有高載流子濃度(5.0xl0195.0xl02Gcm-3)和室溫鐵磁性。圖1是根據本發明方法采用的脈沖激光沉積裝置示意圖。圖中1為激光器；2為生長室；3為靶材；4為襯底；圖2是本發明制備的Zn(Co,Ga)O薄膜的室溫鐵磁性測量結果。具體實施例方式以下結合具體實例進一步說明本發明。實施例11)陶瓷靶的制備。稱量純ZnO、Co203、Ga203粉末，其中Co的摩爾百分含量為2%，Ga的摩爾百分含量為3%，把稱量好的ZnO、Co203、03203粉末倒入裝有瑪瑙球的球磨罐中，在球磨機上球磨24小時，使ZnO、Co203、Ga203粉末混合均勻并細化。然后將原料分離出來并烘干，添加粘結劑研磨，壓制成型。把成型的胚體放入燒結爐中，先在80(TC保溫2小時，使粘結劑揮發，再升溫至125(TC燒結2小時，得到Zn(Co,Ga)O陶瓷耙。2)以2英寸石英拋光片作為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積系統的生長室中，生長室真空度抽至小于8.0xl(^Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至35(TC，輸入氧氣，氧壓調至10Pa，襯底與靶材間距4.5cm。開啟激光器(脈沖激光能量為340mJ，頻率5Hz)，預沉積5min，除去耙材表面的玷污，然后旋開擋板，沉積薄膜。沉積過程中襯底和靶材低速旋轉，以改善薄膜的均勻性，沉積時間為30min。在此條件下沉積一層約500nm的Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導體薄膜，在50Pa氧氣氛下以5T:/min的速度降溫冷卻至室溫。本例制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導體薄膜具有高載流子濃度(見表l)和室溫鐵磁性(見圖2)。表1是Co-Ga共摻雜制備的ZnO薄膜和單獨Co摻雜的ZnO薄膜的電學性能比較(A:ZnCoO薄膜，B:Zn(Co,Ga)O薄膜)，由表可見Co-Ga共摻雜ZnO薄膜具有更高的載流子濃度；4<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實施例2靶材制備和薄膜沉積過程同實施例1，其中Co的摩爾百分含量為10%，Ga的摩爾百分含量為3%，同樣獲得制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導體薄膜具有高載流子濃度和室溫鐵磁性。實施例3靶材制備和薄膜沉積過程同實施例1，區別在于襯底為藍寶石，且襯底溫度升至700°C，同樣獲得制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導體薄膜具有高載流子濃度和室溫鐵磁性。實施例4靶材制備和薄膜沉積過程同實施例1，其中Co的摩爾百分含量為5%，Ga的摩爾百分含量為2%,同樣獲得制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導體薄膜具有高載流子濃度和室溫鐵磁性。權利要求1.Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜，其特征是該薄膜中Co的摩爾百分含量為2≤x≤10％，Ga的摩爾百分含量為1≤x≤3％。2.根據權利要求1所述的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜的制備方法，包括以下步驟1)稱量純ZnO、Co203、Ga203粉末，其中Co的摩爾百分含量為2^x^10%，Ga的摩爾百分含量為l^cS3%。將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在10001300。C溫度下燒結，制得Zn(Co,Ga)O陶瓷耙；2)將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，保持靶材與襯底之間的距離為46cm，生長室真空度抽至小于8.0xl(^Pa，襯底加熱升溫到350700。C，生長室通入02氣體，控制壓強為215Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，沉積在襯底上，得到Co-Ga共摻雜生長n型ZnO基稀磁半導體薄膜，然后在50Pa氧氣氛下冷卻至室溫。3.根據權利要求2所述的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜的制備方法，其特征在于所說的襯底是硅或藍寶石或氧化鋅或石英或玻璃。全文摘要本發明公開的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜，其Co的摩爾百分含量為2≤x≤10％，Ga的摩爾百分含量為1≤x≤3％。采用脈沖激光沉積法制備，以純ZnO、Co<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Ga<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉末混合燒結的陶瓷片為靶材，將襯底清洗后放入脈沖激光沉積裝置生長室中，生長室抽至本底真空小于8.0×10<sup>-4</sup>Pa，在壓強為2～15Pa的O<sub>2</sub>氣氛下生長，溫度為350～700℃。本發明制備方法簡單，n型摻雜載流子濃度可以達到5.0×10<sup>19</sup>～5.0×10<sup>20</sup>cm<sup>-3</sup>，并且同時具有室溫鐵磁性能。文檔編號H01L43/00GK101483219SQ20091009545公開日2009年7月15日申請日期2009年1月15日優先權日2009年1月15日發明者何海平,葉志鎮,呂建國,張利強,張銀珠,朱麗萍申請人:浙江大學