專利名稱：一種Si摻雜AlN稀磁半導體薄膜的制備方法
技術領域：
本發明屬于新型半導體自旋電子器件材料制備領域，涉及非磁性主族元素摻雜的 AlN基稀磁半導體薄膜及其制備方法，特別涉及具有室溫鐵磁性、高居里溫度的一種Si摻雜AlN稀磁半導體薄膜的制備方法。
背景技術：
近年來，稀磁半導體(DilutedMagnetic Semiconductors, DMSs)迅速成為當今自旋電子學材料研究的熱點，這是由于DMk材料兼備了電子的自旋極化和電荷屬性，且可以避免鐵磁金屬-半導體界面處傳導率失配的問題，其次DMk在制造器件時能夠很好的和現有的半導體技術兼容。因而在高密度非易失性存儲器、磁感應器和半導體電路的集成電路、光隔離器件和半導體激光器集成電路以及量子計算機等領域具有廣闊的應用前景。稀磁半導體對于信息傳輸和信息存儲來說是一個具有變革性質的材料，AlN作為帶隙寬度最大的氮化物半導體，具有優良的光電和壓電特性，它在藍光、紫外光發射及探測器件、高溫大功率光電器件、聲表面波器件、光電子器件等方面顯示出了廣闊的應用前景， 成為光電研究領域熱門研究課題。AlN基DM^F僅具有半導體的光電特性，而且具有新穎的磁電和磁光特性，已經成為新功能材料領域的研究熱點。據有關報道，摻雜磁性過渡離子在AlN中獲得良好的鐵磁性，大多數可以達到室溫或者室溫以上，其中2004年H. X. Liu等人采用分子束外延法在藍寶石襯底上生長了 Cr 摻雜AlN薄膜的居里溫度高于900K，參閱Appl. Phys. Lett.第85卷4076-4079頁。到目前為止，研究較多的體系是Mn、Cr、Co、！^等過渡金屬元素摻雜的A1N，但由于上述金屬或其化合物本身就有磁性，這就為研究鐵磁性來源增添了難度。而非磁性主族元素摻雜在 AlN結構中的研究較少，1997年P. Bogusawski等人的研究發現若Si若取代AlN中的陽離子，將在AlN中形成淺能級施主；若Si取代N的位置，則形成深能級受主。同時將Si摻入AlN中可以得到電學性能較理想的η型AlN薄膜材料，明顯提高AlN薄膜的導電率，降低 Madelung能，改善薄膜的導電性質，參閱Wiys. Rev. B.第56卷9496-9505頁。但是到目前為止，實驗上始終沒有Si摻雜AlN鐵磁性的報道。本研究采用射頻磁控濺射法首次在實驗上制備了具有室溫鐵磁性的非磁性主族元素Si摻雜AlN稀磁半導體薄膜，最重要的是 這將對自旋電子學是一個挑戰，同時也是對自旋電子學的一個擴展。近年來，國內外很多研究小組對過渡、稀土金屬元素摻雜AlN基DMk材料展開了廣泛研究。目前采用的方法主要有電弧法、分子束外延法、離子注入法、化學氣相沉淀法、 磁控濺射法等。電弧法；2009年W. W. Lei等人采用直流電弧放電等離子體法制備了 &摻雜AlN 六重對稱等級納米結構，參閱Appl. Phys. Lett.第95卷162501-162504頁。分子束外延法2005年R. M. Frazier等人采用氣源分子束外延法制備了 Cr摻雜 AlN 薄膜，參閱 Appl. Phys. Lett.第 86 卷 052101-052104 頁。離子注入法如2003年Frazier等制備出Co、Cr以及Mn摻雜AlN薄膜，參閱J.Appl. Phys.第 94 卷 1592-1596 頁。化學氣相沉淀法2007年X. H. Ji等人采用化學氣相沉積法在無催化劑的Si襯底上制備了 Cu摻雜AlN納米棒，參閱Nanotechnology.第18卷105601-105605頁。2007年 Y. Yang等人采用化學氣相沉積法通過Mn原位摻雜制備了 Mn摻雜AlN納米線，參閱Appl. Phys. Lett.第 90 卷 092118-092121 頁。傳統的磁控濺射法較廣泛地應用于AlN基DMk材料的制備，如2002年，S. G. Yang等人采用反應共濺射法在聚酰亞胺、玻璃及Si襯底上制備了 All-xCrxN薄膜。不同襯底上所得樣品在300 K時可以觀察到明顯的磁滯現象，參閱Appl. Phys. Lett.第81卷 M18-2421頁。2004年D. Kumar等人采用反應共濺射制備了居里溫度高達900K的Cr摻雜 AlN 薄膜，參閱 Appl. Phys. Lett.第 84 卷 5004-5007 頁。2005 年 Y. Y. Song 等人采用磁控濺射法制備了 Mn摻雜AlN薄膜，參閱J. Magn. Magn. Mater.第四0_291卷1375-1378 頁。2007年，X. D. Gao等人利用直流磁控共濺射法制備了 Fe摻雜AlN薄膜，參閱Appl. Surf. Sci.第253卷M31 - 5435頁。2009年F. Y. Ran等人采用磁控濺射法制備了 Cu摻雜 AlN 薄膜，參閱 Appl. Phys. Lett.第 95 卷 112111-112114 頁。由上述報道可以看出電弧法對納米粉體結晶形狀難以控制，生產效率較低。分子束外延法成本比較高，不宜實現工業化生產。離子注入法工藝比較復雜，樣品的制備都需要后期的退火處理。特別是傳統的化學氣相沉淀法以固體粉末材料為原料，由于原料的沸點不同，很難沉積均勻摻雜的稀磁半導體薄膜，其次反應需要在高溫下進行，基片溫度高，沉積速率較低，重復性差等，因此它的應用不如濺射技術那樣廣泛。磁控濺射法工藝簡單，成本低，沉積速率高，可重復性好，利于大面積制備樣品。
發明內容
本發明目的在于，提供一種磁控濺射制備室溫鐵磁的Si摻雜AlN薄膜的方法，以解決現有技術制備工藝復雜、成本高等問題。提出以高純氮氣為工作氣體，采用高純Al靶和硅片作為源，通過原位磁控共濺摻雜的方法獲得稀磁半導體薄膜材料。本方法簡單易行， 所用原料都很常見，可以實現工業化生產。實現本發明的制備方法如下
采用射頻磁控濺射系統，靶材為純度為99. 999%的Al (直徑為80 mm)和99. 99%的硅片(長10 mm，寬3 mm)，硅片對稱的放在Al靶上，原位共濺射。系統的本底真空度為10_5 Pa-IO"4 Pa，基片為η型Si(lOO)，靶材與基片間的距離為60 mm，濺射功率為300 W，濺射過程中工作氣體為高純的氮氣，濺射過程中的工作氣壓為1.5 Pa，襯底的溫度為370 °C，濺射時間為60 min0將清洗好的η型Si (100)基片在純氮氣氛圍中烘干后放入真空室，真空室抽到所需的真空度時，再將基片加熱到所需溫度，通入高純氮氣，接射頻電源，調節濺射功率到300 W對靶材進行預濺射以除去靶材表面的雜質和氧化層，預濺射時間為20 min。預濺射完畢后，開始濺射。本方法通過改變硅片的數量來改變硅的摻雜量。η型Si (100)基片清洗如下首先分別在四氯化碳、甲苯、丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗，然后在體積比為1:2:6的濃硫酸、雙氧水和去離子水混合液中清洗，最后用10% 的氫氟酸去除基片表面S^2氧化層。薄膜的晶體結構采用復旦大學的Rigaku D/Max-A轉靶X射線衍射儀分析，磁學性能采用中國科學院半導體研究所的Quantum Design公司超導量子干涉儀(SQUID) MPMS-7 分析。與現有技術相比，本發明的特點在于采用磁控濺射原位共摻雜制備稀磁半導體薄膜材料，其中Si的摻雜量易于控制，沉積速率高，制備工藝簡單，所得樣品具有室溫鐵磁性和高的居里溫度(大于300 K)，且磁性可通過Si的摻雜量來控制。而且本方法不需要任何后續處理，因而具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。
圖1為實施例1的XRD衍射譜；
圖2為通過超導量子磁通計得到的實施例1的M-H曲線； 圖3為通過超導量子磁通計得到的實施例2的M-H曲線； 圖4為通過超導量子磁通計得到的實施例3的M-H曲線； 圖5是實施例2的剩余磁化強度-溫度曲線。
具體實施例方式實施例1
將清洗好的η型Si (100)基片烘干后放入真空室，基片距離靶材60 mm，靶材為純度為99. 999%的Al (直徑為80 mm)和四片純度為99. 99%的硅片(長10 mm，寬3 mm)，硅片對稱的放在Al靶上，原位共濺射。抽真空到2.0X10—4 Pa。濺射過程中工作氣體為高純的氮氣，濺射過程中的工作氣壓為1.5 Pa，襯底的溫度為370°C。正式濺射前將濺射功率調至 300 W對靶材進行20 min預濺射，除去靶材表面雜質和氧化層。預濺射完畢后，開始濺射， 濺射時間60 min。從圖1可以看出制備出來的薄膜為A1N，通過與標準卡片比對可知薄膜為六方纖鋅礦結構，相應的卡片號為I⑶D-PDF: 65-3409。通過超導量子磁通計得到樣品的M-H曲線，如圖2所示，可以看出有微弱的磁滯現象，但磁信號很弱。實施例2
將清洗好的η型Si (100)基片烘干后放入真空室，基片距離靶材60 mm，靶材為純度為99. 999%的Al (直徑為80 mm)和七片純度為99. 99%的硅片(長10 mm，寬3 mm)，硅片對稱的放在Al靶上，原位共濺射。抽真空到2.0X10—4 Pa。濺射過程中工作氣體為高純的氮氣，濺射過程中的工作氣壓為1.5 Pa，襯底的溫度為370 °C。正式濺射前將濺射功率調至 300 W對靶材進行20 min預濺射，除去靶材表面雜質和氧化層。預濺射完畢后，開始濺射， 濺射時間60 min。通過超導量子磁通計得到樣品的M-H曲線，如圖3所示，可以看出樣品室溫下具有明顯的鐵磁性能，形成標準的磁滯回線。圖5給出實例2的剩余磁化強度-溫度曲線，由圖可看出所制備樣品的居里溫度大于300 K。實施例3
將清洗好的η型Si (100)基片烘干后放入真空室，基片距離靶材60 mm，靶材為純度為99. 999%的Al (直徑為80 mm)和十片純度為99. 99%的硅片(長10 mm，寬3 mm)，硅片對稱的放在Al靶上，原位共濺射。抽真空到2.0X10—4 Pa。濺射過程中工作氣體為高純的氮氣，濺射過程中的工作氣壓為1.5 Pa，襯底的溫度為370 °C。正式濺射前將濺射功率調至 300 W對靶材進行20 min預濺射，除去靶材表面雜質和氧化層。預濺射完畢后，開始濺射， 濺射時間60 min。 通過超導量子磁通計得到樣品的M-H曲線，如圖4所示，可以看出樣品室溫下具有明顯的鐵磁性能，形成標準的磁滯回線。
權利要求
1.一種Si摻雜AlN稀磁半導體薄膜的制備方法采用射頻磁控濺射系統，其特征在于，靶材是純度為99. 999%的Al (直徑為80 mm)和99. 99%的硅片(長10 mm，寬3 mm)，硅片對稱的放在Al靶上，通過原位共濺射，系統的本底真空度為10_5 Pa-IO-4 Pa，基片為η型 Si (100)，靶材與基片間的距離為60 mm，濺射功率為300 W，濺射過程中工作氣體為高純的氮氣，濺射過程中的工作氣壓為1.5 Pa，襯底的溫度為370 °C，濺射時間為60 min，將清洗好的η型Si (100)基片預先在純氮氣氛圍中烘干，然后放入真空室，真空室抽到所需真空度時，再將基片加熱到所需溫度，通入高純氮氣，接射頻電源，調節濺射功率到300 W對靶材進行預濺射以除去靶材表面的雜質和氧化層，預濺射時間為20 min，預濺射完畢后，開始濺射。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，η型Si(100)基片清洗如下首先分別在四氯化碳、甲苯、丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗，然后在體積比為1:2:6的濃硫酸、雙氧水和去離子水混合液中清洗，最后用10%的氫氟酸去除基片表面S^2氧化層。
3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，硅的摻雜量通過改變硅片的數量來調節。
全文摘要
本發明公開了一種Si摻雜AlN稀磁半導體薄膜的制備方法。本方法以為高純的氮氣作為工作氣體，采用高純Al靶和硅片原位共濺射，系統的本底真空度為10-5Pa-10-4Pa，基片為n型Si(100)，靶材與基片間的距離為60mm，濺射功率為300W，濺射氣壓為1.5Pa，襯底溫度為370℃，濺射時間為60min。基片經清洗除去表面雜質后，通過改變摻雜硅片的數量來得到不同摻雜濃度的AlN稀磁半導體薄膜。本方法制備沉積速率高，工藝簡單，而且不需要任何后續處理就可以得到具有室溫鐵磁性和高居里溫度的稀磁半導體薄膜材料，因而具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。
文檔編號H01F41/18GK102352485SQ201110297648
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者任會會, 任銀拴, 吳 榮, 婁陽, 孫言飛, 李錦 , 潘東, 簡基康, 蔣小康 申請人:新疆大學