[发明专利]一种具有内禀铁磁性ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，涉及一种高质量、低电阻率、具有内禀铁磁性的稀土金属离子掺杂ZnO稀磁半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人类迈进了高度电子化、信息化的社会。信息的处理、存储和传输将要求空前的规模和速度。在半导体产业中，以Si材料作为主导的半导体器件已经发展了半个多世纪，随着半导体器件特征尺寸的不断缩小，单个晶体管的加工工艺逐渐达到了物理和技术的双重极限。如何实现上述电子信息技术的飞跃，已成为本世纪初面临的重大科学问题之一。电子的电荷和自旋是标识其特性的二个最重要的物理属性，分别以其为基础的半导体与磁性材料是半导体物理学中最重要的两个研究领域，在这两方面的研究也分别在信息处理和存储领域取得了广泛的应用。但是，人们对于上述两领域的研究是平行发展的，如果能同时利用电子的电荷和自旋属性，必将革命性地推动信息社会的发展。稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors，DMS)，一般是在非磁性化合物半导体中通过掺杂引入部分磁性离子所形成的一类新型功能材料，磁性离子和半导体中载流子之间的交换作用使得DMS具有新颖的磁光和磁电性能。DMS材料可以将磁性的效能和半导体的功能相结合，在高密度非易失性存储器、磁光感应器、自旋量子计算等领域有广阔的应用前景。此外，DMS具有很高的自旋注入效率，是自旋场效应晶体管、自旋发光二极管、自旋阀等新型自旋电子器件的理想材料，已成为当今材料研究领域中的热点。

DMS研究的一个重要的方面是获得高质量并且具有内禀铁磁性的材料，ZnO是一种直接带隙(3.4eV)的半导体材料，激子结合能为60meV，具有优良光电和压电特性，在高频、大功率器件、蓝光和紫外半导体激光方面有广泛的应用。此外，ZnO原料资源丰富、价格低廉、制备过程对环境无污染、制备条件要求相对较低等优点。在过去的十几年里，人们在过渡金属(Mn、Co、Fe、Ni等)掺杂ZnO方面开展了大量的研究。然而，由于掺杂引入的过渡金属本身或与ZnO形成的化合物具有铁磁性，为澄清稀磁半导体的磁性来源和实际应用带来了很大困难。最近，人们开始关注稀土金属离子掺杂ZnO的研究。由于稀土金属离子比过渡金属离子的半径大，难以实现在ZnO中的掺杂，因此制备高质量的具有本征铁磁性的稀土金属离子掺杂ZnO薄膜仍是一难点。

在掺杂ZnO薄膜的制备技术中，目前主要有以下几种方法，脉冲激光沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、射频磁控溅射和溶胶-凝胶(Sol-Gel)法等。上述方法在材料制备方面各有优缺点，与上述几种传统制备方法相比，采用电感耦合等离子体增强物理气相沉积技术制备稀土金属掺杂ZnO薄膜具有自身的优点，如等离子体增强系统能够使溅射出来的中性粒子离子化，使溅射出来的带电粒子增加活性，促进分解或解离，即可以增强离子的离子化程度，提高沉积速率，从而提高薄膜沉积的均匀性和致密性；此外，该系统还具有供气系统简单，制备过程中无毒性气体使用和产生，能显著减少环境污染等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有内禀铁磁性ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法，本发明方法以稀土金属离子Er和Al施主掺杂的方式，采用电感耦合等离子体增强物理气相沉积技术(ICP-PVD技术)，制备了高质量、低电阻率、具有内禀铁磁性的ZnO基稀磁半导体薄膜。

本发明的具有内禀铁磁性ZnO基稀磁半导体薄膜，其化学成份符合化学通式Zn_1-x-yEr_xAl_yO，其中0＜x≤0.03，0＜y≤0.02。所述Zn_1-x-yEr_xAl_yO中元素右下角部分代表摩尔比。

较佳的，0.01≤x≤0.03，0.01≤y≤0.02。

本发明的具有内禀铁磁性ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法，以稀土金属离子Er和Al施主掺杂的方式，采用电感耦合等离子体增强物理气相沉积技术，制得具有内禀铁磁性的ZnO基稀磁半导体薄膜，具体包括如下步骤：

(1)采用等静压固相反应合成工艺制备Zn_1-x-yEr_xAl_yO陶瓷靶材；

(2)将清洁干燥的衬底放入ICP-PVD系统(如图1所示)反应室中，反应室真空抽至≤5×10^-5Pa，加热衬底温度至300～500℃，再将反应室真空抽至≤5×10^-5Pa；