[发明专利]一种具有室温铁磁性的Ge-SiN复合薄膜材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种具有室温铁磁性的Ge-SiN复合薄膜材料，属于半导体磁性纳米材料制备技术领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，出现了一个横跨半导体和磁性材料的新型研究方向—自旋电子学。在自旋电子学中，电子是自旋的载体，可利用自旋进行信息的储存和传输。研究结果表明，磁性半导体可实现高效率的自旋注入。但是，由于磁性元素本身在半导体的固溶度不高，往往会有磁性杂质的析出，而且磁性元素的掺杂容易形成第二相，因此不进行任何掺杂的纯半导体的铁磁性研究引起了研究者的兴趣。目前这方面的研究主要集中在纳米结构氧化物宽带隙半导体，如ZnO，HfO，TiO₂等。IV族纳米半导体可以与成熟的Si工艺技术兼容，使其备受关注。其中，碳各种形态的铁磁性研究最多，关于Si、Ge的磁性报道还不多见。Ge具有高的载流子迁移率，并且Ge的玻尔半径为17-24 nm，远远大于Si的玻尔半径（5 nm），因此Ge的量子限制效应比Si的更为明显。由于Ge的各种优点，人们已经开始研究Ge纳米结构的磁性，并试图将其应用于新型自旋电子学器件。2007年，Liou在Ge纳米结构中观察到了室温铁磁性（参考文献Liou Y，Su P W，Shen Y L． Appl Phys Lett，2007，90(18)：182508(1-3)）。作者使用热蒸发的方法在聚苯乙烯（PS）微球上蒸镀了不同厚度的Ge层。测试发现Ge层的厚度和PS微球的尺寸影响Ge纳米结构的磁化强度。但PS球直径直接影响其磁性的强弱，而且PS并不与Si工艺兼容，此外，热蒸发的方法不能很好的控制膜的厚度，这在很大范围上限制了材料的实际应用。研究者还用惰性气体凝结（IGC）的方法制备了Ge 纳米颗粒，并观察到了铁磁性（参考文献 1. Liou Y，Shen Y L． Adv Mater，2008，20：779-783 ； 参考文献 2. Liou Y，Lee M S，You K L． Appl Phys Lett，2007，91(8)：082505(1-3)）。Ge 纳米颗粒的尺寸和密度影响样品的磁化强度。在Ge纳米颗粒上增加覆盖层可以增强样品的磁化强度。但是，Ge纳米颗粒应用于器件涉及到颗粒的粘附等，具有一定的局限性，因此其应用受到一定限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有室温铁磁性的Ge-SiN复合薄膜材料，实现了将自旋电子学器件在Si、Ge半导体材料中的应用。

本发明采取的技术方案是这样的：一种具有室温铁磁性的Ge-SiN复合薄膜材料，其表达式为：[Ge_x-(SiN)_y]_z ，式中，x 、y 、z分别表示Ge层厚度、SiN层厚度和循环溅射Ge和SiN薄膜的次数，其中，3 nm≤x≤10 nm，4 nm≤y≤16 nm，3≤z≤12（z取整数）。

本发明给出的复合薄膜材料的膜厚和循环溅射Ge和SiN的次数是基于以下原理确定的：由于SiN和Ge的禁带宽度不同，改变SiN每层厚度和周期，也就改变了晶格势场，使载流子行为不同于块体Ge或SiN材料；对于Ge纳米材料，当它的尺寸小于玻尔半径17 nm时，由于量子限制效应，宏观的准连续能带转变为分立的能级，并且自旋也分裂为不成对自旋。SiN基质将Ge层隔离，避免Ge的大颗粒团聚。当SiN为12 nm时，邻近势阱波函数作用使得Ge粒子可以通过隧道效应穿过势垒进行耦合。当SiN基质厚度较小（小于12 nm）时，邻近Ge层间颗粒团聚，类似于块材Ge，磁性减弱或消失。当SiN基质形成的垒宽足够宽，大于12 nm时，邻近势阱形成独立势阱，将粒子限制在阱中，因此产生的耦合效应减弱，减小了磁矩；当Ge层太薄（<3 nm）时，纳米Ge间的耦合效应较弱，当Ge层太厚时(>10 nm)，类似于体材料，不成对自旋数目减少，磁信号也明显下降。由于叠加效应，增加样品的周期可以增加总波函数的强度，最终得到具有铁磁性的Ge-SiN多层薄膜材料。

实验证实，当SiN总厚度为48 nm，即y′z=48，当x=5 nm，y=12 nm，z=4时，样品的饱和磁化强度达到最强，为2.90 emu/cm³，剩余磁化强度和矫顽力也达到最大，分别为0.40 emu/cm³和189.82 Oe。

本发明提供的具有室温铁磁性的Ge-SiN复合薄膜材料的制备方法包括如下步骤：