專利名稱：磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法
技術領域：
本發明提供一種稀磁半導體鎵錳銻(Ga1-xMnxSb)單晶的生長方法，特別是指一種磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法。
背景技術：
半導體材料和磁性材料是電子產業的兩大重要材料，同時半導體物理學和磁性物理學也是固體物理學的兩大重要領域。將磁特性和半導體特性相結合，使一種材料既具有半導體的特性又具有磁體的特性，制造新型功能器件是自旋電子學發展的一個非常重要的分支領域。因此，制備磁性半導體，無論對基礎物理學上還是對材料科學都具有十分重要的學術意義。而在實際應用上更具有重大的價值。
稀磁半導體兼具磁性材料和半導體材料的特性，通常為A1-xMxB，其中組分為X的磁性元素M無規則地占據A的子格點。稀磁半導體還具有許多獨特的性質，如巨磁光效應、巨負磁阻效應、反常霍爾效應等。這類材料可望用于新型磁電、磁光和光電器件上。
Ga1-xMnxSb是一種重要的稀磁半導體，迄今為止，制備Ga1-xMnxSb的方法主要是分子束外延(MBE)、離子束外延(IBE)、金屬有機化學氣相淀積(MOCVD)、蒸鍍和濺射等非熱力學平衡折方法，但未見用采用熱力學平衡生長Ga1-xMnxSb單晶的報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法，其熱力學平衡法，是在外延爐中，含Ga、Mn、Sb三種元素的母液借助過冷技術而在GaSb襯底上以單晶薄膜形式外延生長Ga1-xMnxSb的方法；熱力學平衡條件下生長Ga1-xMnxSb單晶，其優點是外延層化學穩定性高，設備簡單，生長費用低。用熱平衡法制備的稀磁半導體Ga1-xMnxSb單晶可望應用于新型磁電、磁光和光電器件上。
本發明的技術方案本發明一種磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1以銻化鎵單晶片為襯底；步驟2用石墨或石英制成生長容器；步驟3將純鎵、純錳按比例放在石英容器中，在真空高溫環境中合成鎵錳合金；步驟4將純鎵、鎵錳合金和銻化鎵晶體按比例放入生長容器中，在外延爐中經充分溶解混合后，進行過冷外延生長；步驟5生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻；步驟6在GaSb單晶片襯底上直接生長鎵錳銻外延層，或先在襯底上生長緩沖層，然后再生長外延層；步驟7在襯底上生長鎵錳銻單層結構，或生長多層結構。
其中步驟4所述的過冷外延生長的過冷度為2～10度。
其中本方法的生長溫度范圍573K-973K。
其中步驟4所述的將純鎵、純錳的比例為GaaMn1-a。
其中步驟5所述的生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻，其原子比的GaxMnySbz中x、y和z的取值范圍是x0.01～0.99；y0.01～0.99；z0.01～0.99。
本發明與現有技術相比所具有的有意的效果與其它制備稀磁半導體Ga1-xMnxSb單晶的方法相比，熱平衡法生長是在外延爐中，含Ga、Mn、Sb三種元素的母液借助過冷技術而在GaSb襯底上以單晶薄膜形式外延生長Ga1-xMnxSb的方法；熱力學平衡條件下生長Ga1-xMnxSb單晶，其優點是外延層化學穩定性高，設備簡單，生長費用低。用熱平衡法制備的稀磁半導體Ga1-xMnxSb單晶可望應用于新型磁電、磁光和光電器件上。
為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1為Ga1-xMnxSb/GaSb(004)峰附近典型的X射線搖擺曲線。
圖2為Ga1-xMnxSb/GaSb雙晶X射線衍射曲線。
具體實施例方式
本發明一種磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法，包括如下步驟步驟1以銻化鎵單晶片為襯底；步驟2用石墨或石英制成生長容器；步驟3將純鎵、純錳按比例放在石英容器中，在真空高溫環境中合成鎵錳合金；步驟4將純鎵、鎵錳合金和銻化鎵晶體按比例放入生長容器中，在外延爐中經充分溶解混合后，進行過冷外延生長；該步驟4所述的過冷外延生長的過冷度為2～10度；該步驟4所述的將純鎵、純錳的比例為GaaMn1-a；步驟5生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻；該步驟5所述的生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻，其原子比的GaxMnySbz中x、y和z的取值范圍是x0.01～0.99；y0.01～0.99；z0.01～0.99；步驟6在GaSb單晶片襯底上直接生長鎵錳銻外延層，或先在襯底上生長緩沖層，然后再生長外延層；步驟7在襯底上生長鎵錳銻單層結構，或生長多層結構。
其中本方法的生長溫度范圍573K-973K。
實施例
(1)實現發明的主要設備精密溫控爐機械真空泵+擴散真空泵(或其它真空設備)氫氣發生器(或氫氣純化設備)石英反應管生長舟(2)將經過化學清洗的純鎵(Ga)、純錳(Mn)按前述步驟方案(3)中規定的比例放入容器(石英舟)中。
(3)抽真空使石英反應管內的真空度優于10-3Pa。
(4)在700℃真空環境中熔源3小時再讓其自然冷卻合成鎵錳合金。
(5)將經過化學清洗的純鎵(Ga)、銻化鎵(GaSb)晶體和鎵錳合金按規定的比例放入生長容器(石墨舟)中。
(6)抽真空使生長石英反應管內的真空度優于10-3Pa。
(7)通氫氣，流量0.1升/分鐘，30分鐘以后，將石英反應管送入外延爐中加熱熔源。
(8)在800℃流動氫氣環境中熔源4小時，再冷卻至室溫。
(9)將經過化學清洗的銻化鎵(GaSb)單晶片放入生長容器(石墨舟)中。
(10)抽真空使生長石英反應管內的真空度優于10-3Pa。
(11)通氫氣，流量0.1升/分鐘，30分鐘以后，將石英反應管送入外延爐中加熱熔源。
(12)在650℃流動氫氣環境中熔源2小時。
(13)在525℃，降溫速率為0.5℃/分鐘條件下生長30分鐘。
按照上述生長工藝，在半絕緣銻化鎵襯底上生長出Ga1-xMnxSb單晶，經X射線分析(如附圖1，圖2所示)，可以知道外延層為Ga0.97Mn0。03Sb單晶。
本發明與現有技術相比具有外延層化學穩定性高，設備簡單，生長費用低的優點。
權利要求
1.一種磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1以銻化鎵單晶片為襯底；步驟2用石墨或石英制成生長容器；步驟3將純鎵、純錳按比例放在石英容器中，在真空高溫環境中合成鎵錳合金；步驟4將純鎵、鎵錳合金和銻化鎵晶體按比例放入生長容器中，在外延爐中經充分溶解混合后，進行過冷外延生長；步驟5生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻；步驟6在GaSb單晶片襯底上直接生長鎵錳銻外延層，或先在襯底上生長緩沖層，然后再生長外延層；步驟7在襯底上生長鎵錳銻單層結構，或生長多層結構。
2.根據權利要求1所述的磁性半導體單晶熱平衡生長方法，其特征在于，其中步驟4所述的過冷外延生長的過冷度為2～10度。
3.根據權利要求1所述的磁性半導體單晶熱平衡生長方法，其特征在于，其中本方法的生長溫度范圍573K-973K。
4.根據權利要求1所述的磁性半導體單晶熱平衡生長方法，其特征在于，其中步驟4所述的將純鎵、純錳的比例為GaaMn1-a。
5.根據權利要求1所述的磁性半導體單晶熱平衡生長方法，其特征在于，其中步驟5所述的生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻，其原子比的GaxMnySbz中x、y和z的取值范圍是x0.01～0.99；y0.01～0.99；z0.01～0.99。
全文摘要
一種磁性半導體鎵錳銻單晶熱平衡生長方法，包括如下步驟步驟1以銻化鎵單晶片為襯底；步驟2用石墨或石英制成生長容器；步驟3將純鎵、純錳按比例放在石英容器中，在真空高溫環境中合成鎵錳合金；步驟4將純鎵、鎵錳合金和銻化鎵晶體按比例放入生長容器中，在外延爐中經充分溶解混合后，進行過冷外延生長；步驟5生長容器中的生長母液為鎵、錳、銻；步驟6在GaSb單晶片襯底上直接生長鎵錳銻外延層，或先在襯底上生長緩沖層，然后再生長外延層；步驟7在襯底上生長鎵錳銻單層結構，或生長多層結構。
文檔編號C30B19/00GK1772973SQ20041009464
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月11日 優先權日2004年11月11日
發明者陳晨龍, 陳諾夫, 吳金良 申請人:中國科學院半導體研究所