[发明专利]一种室温铁磁硅锗锰半导体薄膜的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种室温铁磁硅锗锰半导体薄膜的制备方法及应用，其化学组成式Si_1‑xGe_xMn_y，其中0.7≤x≤0.8,y≤0.3，属于半导体薄膜制备技术领域，制备方法包括在多靶共溅磁控溅射真空室中分别装入高纯硅靶、高纯锗靶、高纯锰靶；将高纯本征单晶锗加热至250℃；预溅射硅靶、锗靶以及锰靶各20min；溅射锗缓冲层、共溅射沉积Si_1‑xGe_xMn_y层；保持250℃温度一小时后，待冷却到室温，得到沉积态的Si_1‑xGe_xMn_y薄膜；然后退火，整个过程在惰性气体中进行；该方法能够快速制备出室温铁磁Si_1‑xGe_xMn_y薄膜，Si_1‑xGe_xMn_y薄膜具有良好结晶性和室温铁磁性。

技术领域

本发明属于半导体薄膜制备技术领域，具体涉及一种室温铁磁硅锗锰半导体薄膜的制备方法及其应用，其化学组成式为Si_1-xGe_xMn_y，其中0.7 ≤ x ≤ 0.8, y ≤ 0.3。

背景技术

磁性半导体由于在自旋电子器件中的潜在应用，在过去的二十年中受到人们的广泛关注。围绕在V， II-VI， IV和I–II–V半导体中掺杂各种过渡金属进行了大量研究。 其中，Mn掺杂的IV族半导体因与当前硅工艺技术兼容而备受关注。 但是，由于Mn在IV型半导体中的溶解度较低，通常在Mn重掺杂的Si或Ge中形成具有铁磁性的硅化锰和锗化锰化合物纳米结构。 这种嵌入式富锰纳米结构可能是实现高居里温度自旋电子器件的有效方法。虽然人们已对Mn重掺杂的Ge和Si进行了广泛的研究，但是尚未对Mn掺杂的SiGe合金进行过类似的研究。 因为硅锗合金已被广泛用于晶格应变和高速晶体管中，因此制备高浓度锰掺杂的硅锗合金对磁性半导体的研究尤为重要。

在本专利工作中，我们通过射频磁控管溅射合成了锰掺杂（锰含量 ≤ 30％）的Si_1-xGe_xMn_y薄膜，然后通过快速热退火处理的方式制备出良好结晶的室温铁磁Si_1-xGe_xMn_y半导体薄膜。

发明内容

本发明提供了一种室温铁磁硅锗锰半导体薄膜的制备方法及其应用。

一种室温铁磁硅锗锰半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：在多靶共溅磁控溅射真空室中分别装入高纯硅靶、高纯锗靶、高纯锰靶以及高纯本征单晶锗，关闭仓门并抽真空至10^-5pa；

高纯硅靶是指硅的质量分数大于99.9999 %的硅靶，高纯锗靶是指锗的质量分数大于99.9999 %的锗靶，高纯锰靶是指锰的质量分数大于99.999 %的锰靶，高纯本征单晶锗是锗含量大于99.9999 %的本征单晶锗；

步骤S2：将高纯本征单晶锗加热至250 ℃，并保持一小时；

步骤S3：预溅射硅靶、锗靶以及锰靶各20 min，溅射功率为50 W，溅射时通入惰性气体，惰性气体的气压为0.5～1 Pa；

步骤S4：溅射沉积锗过渡层，溅射功率为30 W，溅射时间为2 min，溅射时通入氩气，氩气气压为0.3 Pa；

步骤S5：共溅射沉积锰原子百分比含量为y的Si_1-xGe_xMn_y层，溅射功率为硅靶30 W、锗靶30 W、锰靶5-30 W，溅射时间为20 min，溅射时通入惰性气体，惰性气体的气压为0.3 Pa；(0.7 ≤ x ≤ 0.8, y ≤ 0.3)