[发明专利]一种掺杂磁性半导体梯度材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种掺杂磁性半导体梯度材料制备方法。其主要步骤为：1)将氧化物半导体粉末和磁性氧化物粉末按照磁性氧化物粉末摩尔百分数为0％～25％混合起来进行烧结，得到不同磁性元素含量的靶材；2)将不同磁性元素含量的靶材置于多靶脉冲激光沉积系统中，并放置基片，腔体真空度抽到高于5×10^‑5torr，室温下在基片上沉积具有不同磁性元素掺杂量的磁性半导体多层膜；3)对上述多层膜在200～700℃温度下进行热处理。本方法制备的磁性半导体薄膜不仅具有传统磁性半导体的磁性和半导体性质，而且在垂直于薄膜表面的方向上具有磁性梯度，通过多层膜中磁性元素的掺杂量调节磁性梯度制备具有垂直各向异性的磁性半导体。

技术领域

本发明涉及一种掺杂磁性半导体梯度材料的制备方法，属于磁性半导体材料领域。

技术背景

现代电子信息产业的基础是半导体材料，而利用半导体材料的电荷自由度来实现信息的传输与处理是现代电子元器件的主要工作原理。但是电子在定向运动过程中会发生各种散射，从而使得信息处理的速度不能无限的提升。电子还有另外一个自由度为自旋，通过自旋可以实现信息的存储，这也是现代存储器件的主要原理。如果将电子的自旋属性和电荷属性结合，在半导体中获得自旋极化电流，则可以在同一个器件中实现信息的传输，处理和存储，从而使得电子器件速度更快，体积更小。在半导体材料中通过掺杂磁性离子可以使磁性离子取代阳离子晶格，得到磁性半导体，从而获得一定自旋极化率的传输电流，实现电子电荷自由度和自旋自由度的结合使用。在磁性半导体中，磁性离子具有的局域磁矩可以和载流子以及缺陷发生自旋交换作用，影响半导体的电学，光学性质。传统上可以通过外加磁场对局域磁矩施加影响，从而实现磁调控电、光的效果，另外一方面可以在磁性半导体中构建各种磁各向异性场，也可以利用这种各向异性场来实现磁调控电、光性质。这种调节方式是器件最底层的调控，避免了引入外加磁场的难度，便于电子器件的微型化。

传统磁性半导体分为三种，第一种为少量磁性元素掺杂II-VI族非磁性半导体材料形成的合金，如(Cd，Mn)Te，(Zn，Mn)Se等；第二种为Mn掺杂的III-V族磁性半导体材料如GaAs，AlAs，(Ga，Al)As，(In，Ga)As等；第三种为少量磁性元素掺杂的氧化物半导体如ZnO:Fe，TiO₂:Co，SnO₂:Ni等。传统的制备磁性半导体的方法有溶胶凝胶法，磁控溅射法，脉冲激光沉积法，分子束外延法等，众多研究人员通过调节磁性离子浓度，生长气压，基片种类等制备参数来调节其室温铁磁性，但是通过这种方式得到的磁性半导体都是均匀的，各向同性的，只能利用外加磁场来调控材料的电、光性质。因此有效的在磁性半导体材料内部构造成本征的各向异性场是实现磁性半导体实际应用的关键。磁各向异性可以通过成分的各向异性来诱导出来，通过形成垂直于膜面的磁性离子浓度梯度，可以得到成分各向异性。在磁性半导体中，少量磁性元素掺杂的氧化物半导体可以通过磁性氧化物和氧化物半导体分体混合，很方便实现磁性离子的掺杂，因此通过这种方式构造掺杂磁性半导体梯度材料能够有效的构造出垂直各向异性场，通过改变磁性离子的浓度梯度来调控磁性半导体性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺杂磁性半导体梯度材料的制备方法。其步骤为：

1)靶材制备

将氧化物半导体粉末和磁性氧化物粉末按照磁性氧化物粉末摩尔百分数为0％～25％混合均匀，添加PVA粘结剂，压制成型后进行900～1400℃高温烧结12～16h，得到不同磁性元素含量的靶材；

2)多层膜沉积

将2～6个不同磁性元素含量的靶材置于多靶脉冲激光沉积系统中，并放置基片，基片与靶材之间距离为3～7cm，腔体真空度高于5×10^-5torr，调节激光器能量为200～700mJ，室温下在基片上沉积具有不同磁性元素掺杂量的半导体多层膜，其中单层膜厚为1～10nm；

3)热处理