[发明专利]一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，尤其是一种用激光分子束外延（LMBE）方法在蓝宝石（Al₂O₃）衬底上沉积，然后再通过原位退火的方法制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法。

背景技术

稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductor，DMS）指的是化合物半导体中的部分阳离子被具有磁性的过渡族金属（如Fe、Co、Ni、Mn等）或稀土金属（如Sm、Eu、Gd、 Tb等）离子取代而形成的一类新型半导体材料，因为掺入的磁性离子浓度不高，所以磁性比较弱，因而叫做稀磁半导体。稀磁半导体材料兼具有半导体材料和磁性材料的性质，在这类材料中，可以同时利用电子的电荷和电子自旋两个自由度，因此为新型自旋器件的研制提供了更广阔的空间。

在不加外磁场时，DMS材料表现出与一般半导体材料相似的性质，并且其禁带宽度和晶格常数可以随掺入的磁性离子的浓度的变化而变化，通过能带剪裁工程可使这类材料应用于各种半导体器件。在外磁场中，DMS材料会表现出独特的磁学性质。由于磁性离子的固有磁矩与能带中电子自旋磁矩之间存在交换作用，从而导致了许多新奇的物理现象，例如磁致绝缘体-金属转变、反常霍尔效应、束缚磁极化子、巨塞曼分裂、巨法拉第效应和负磁阻效应等。这些新奇的物理特性为一些新技术的发展提供了条件，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中的研究热点之一。

可用于半导体器件研发的稀磁半导体薄膜材料，必须具有高于室温的居里温度（Tc）并且能与现有的半导体工艺兼容。由于GaN半导体材料具有优异的电学和光学性能，所以目前广泛地被用于制备稀磁半导体薄膜材料的基质材料，GaMnN薄膜就是基于GaN半导体材料的一种稀磁半导体薄膜材料。理论计算和实验都证明了GaMnN薄膜材料具有高于室温的铁磁性，是一种非常有发展前景的稀磁半导体薄膜材料。但是，目前在制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料方面有许多困难。传统制备薄膜材料的方法主要有分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等，但这些方法都是平衡生长法，掺杂效率比较低。而较高的掺杂浓度(≥5%)是实现新型稀磁半导体功能器件所必需的。另外，上述方法还存在设备维护成本高、原材料价格昂贵、生产周期长以及尾气处理过程复杂等弊端。本发明提供了一种非平衡生长方法，具有掺杂效率高、制备成本低、生产周期短以及尾气处理简单等优点，可大大提高生产效率和经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，本方法克服了传统制备薄膜的一些缺点，能够在蓝宝石衬底上制备出高质量的GaMnN稀磁半导体薄膜材料。为实现上述目的，本发明的技术方案可分为三步：

第一步，利用激光分子束外延方法在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；

第二步，利用激光分子束外延方法在带有GaN缓冲层的蓝宝石衬底上生长GaMnN稀磁半导体薄膜材料；

第三步，将原生的GaMnN稀磁半导体薄膜材料在生长室内进行原位退火。

所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，第一步中所用的靶材是高纯GaN粉末经过研磨，压片，烧结，而制成的陶瓷靶。其直径为30 mm，厚度为4 mm。所用的衬底为(0001)方向的蓝宝石晶片。在开始制备薄膜之前，用无水乙醇、丙酮和去离子水对衬底材料进行多次超声振荡清洗。

所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，第二步中所用的靶材是高纯GaN粉末和高纯Mn粉末经过研磨，压片，烧结而制成的GaMnN陶瓷靶，其中Mn的含量为1 at.%～10 at.%，靶的直径为30 mm，厚度为4 mm。

所述的一种制备GaMnN稀磁半导体薄膜材料的方法，第一步和第二步中，所用激光器为KrF准分子激光器，激光能量设定为150～250 mJ/Puls，脉冲频率为5 Hz。在生长过程中，衬底温度保持在600℃～800℃，靶和衬底的距离保持在4 cm～7 cm，生长室内的氮气压强保持在0.1 Pa～10 Pa。