[发明专利]高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料及其制备方法

权利要求书

1.高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料，分子式为Zn_1-xCo_xO,x为掺杂成份的原子比，x=0.2～0.45。

2.如权利要求1所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料，其特征在于x=0.2，0.25，0.3，0.35，0.4或0.45。

3.一种高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）衬底预处理

采用单晶Al₂O₃(0001)衬底，置于分子束外延生长室真空腔中，先加热至750-800℃退火30～40分钟，降至室温；再通纯度为99.9995％高纯氧气，点燃氧等离子体源，将衬底加热至800℃退火30～40分钟；然后，

（2）制备低温ZnO缓冲层

控制衬底温度440～460℃，Zn蒸发源的温度325～335℃，在所述衬底上生长ZnO缓冲层，使生长的ZnO缓冲层厚度为30～40nm;然后关闭Zn源，在氧等离子体源照射下，衬底升温至800℃退火10～12分钟;然后，

(3)高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜的制备

继续降低衬底温度至400～410℃，同时启动生长室真空腔的冷阱。在冷阱中通入液氮，使得生长期间的氧气压降至8～20×10^-8mbar的超低压强，氧等离子体源功率降至300瓦；控制Zn蒸发源温度325～335℃，Co蒸发源的温度1320～1460℃，Co掺杂浓度为20-45at.%，制得厚度为80～100nm的ZnO:Co薄膜。

4.如权利要求3所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于步骤（1）中，生长室真空腔的本底真空度1～2×10^-9mbar，氧等离子体源功率为350瓦，工作时的氧气分压为2～5×10^-5mbar。

5.如权利要求3所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于步骤（2）中，在衬底上生长ZnO缓冲层的时间为20-30min;优选的，步骤（2）中氧等离子体源功率为300～320瓦；工作时的氧气分压为2～5×10^-5mbar。

6.如权利要求3所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于步骤（3）中，Co掺杂浓度为20-30at.%、35-45at.%或者30-35at.%。

7.如权利要求3所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于步骤（3）中，开始外延生长ZnO:Co薄膜时，先打开Zn源挡板，随后再打开Co源挡板。

8.如权利要求3所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于步骤（3）中，外延生长ZnO:Co薄膜的生长时间为60分钟。

9.如权利要求3所述的高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，外延生长ZnO:Co薄膜结束时，先关Co源挡板，再关Zn源挡板，然后关氧等离子体源，最后降低衬底温度至室温。

10.一种高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜材料的制备方法，步骤如下：

1）衬底预处理：选用商业购买的单晶Al₂O₃(0001)衬底，分别在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗5分钟，然后用高纯氮气吹干；衬底在真空腔中先加热至800℃退火30分钟，降至室温；通高纯氧气，纯度99.9995％，点燃氧等离子体源，将衬底加热至800℃退火30分钟；其中，分子束外延真空腔的本底真空度1～2×10^-9mbar，氧等离子体源功率为350瓦，工作时的氧气分压为2～5×10^-5mbar；

2）低温ZnO缓冲层的制备：衬底温度450℃，Zn蒸发源的温度330℃。ZnO缓冲层生长20分钟，厚度为30nm。然后关闭Zn源挡板，在氧等离子体源照射下，衬底升温至800℃退火10分钟，改善ZnO缓冲层的结晶性和表面平整度；氧等离子体源功率为300瓦，工作时的氧气分压为2～5×10^-5mbar；

3）高掺杂ZnO:Co磁性半导体薄膜的制备：继续降低衬底温度至400℃，同时启动生长室真空腔的冷阱。通过在冷阱中通入液氮，使得生长期间的氧气压降至8～20×10^-8mbar的超低压强，氧等离子体源功率至300瓦；Zn蒸发源温度维持在330℃，Co蒸发源的温度维持在1320～1460℃，获得的Co掺杂浓度为20-45%；开始外延ZnO:Co薄膜时，需要先打开Zn源挡板，随后再打开Co源挡板。生长时间为60分钟，厚度为ZnO:Co薄膜的厚度为100nm；生长结束时，先关Co源挡板，再关Zn源挡板，然后关氧等离子体源，最后降低衬底温度至室温。