[发明专利]GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明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 VaporDeposition)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。

背景技术

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(T_C)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—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—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。

发明内容

本发明要解决的问题是：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。

本发明的技术方案是：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1000-1100℃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0.5μm-2μm的高温GaN缓冲层；低温和高温GaN缓冲层的厚度均为0.5μm-2μm；(4)在高温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，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TMGa 0±3℃；Cp₂Mn40±5℃；生长腔压力保持5-500Torr。

本发明步骤(4)中有机镓源为三甲基镓，流量为1-50sccm；NH₃气流量为0.1-5slm；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℃。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。