[发明专利]GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的制备方法及其应用

摘要

本发明采用金属有机物化学气相外延生长技术MOCVD通过Mn掺杂，在蓝宝石衬底材料上生长GaMnN稀释磁性半导体，可获得多种浓度、具有明显的室温铁磁性的GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料。该方法生长的Mn掺杂稀释磁性半导体材料GaMnN薄膜可用于自旋电子学器件，依据不同的器件应用生长不同的外延结构，可以制备自旋场效应管，自旋发光二极管，应用于量子计算等领域。本发明可有效地控制GaMnN材料的生长，获得高质量的Mn掺杂的GaN薄膜材料，研究发现Mn掺杂的GaN的本征磁性为顺磁性。本发明与现有的半导体材料生长工艺完全兼容，在材料生长掺杂技术以及生长工艺上属于首次。

主权项

1、GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料的制备方法，其特征是采用金属有机物化学气相沉积MOCVD生长方法，(1)在蓝宝石衬底上高温氮化处理衬底材料，在MOCVD生长系统中通入H2、N2或H2和N2混合气体，在1000-1100℃温度情况下对蓝宝石衬底进行衬底表面处理，时间为5-60分钟；(2)生长低温GaN缓冲层，在保持H2和N2气体载气不变的情况下，再在400-600℃温度下通入流量分别控制在的0.1-5slm和1-10sccm的氨气和有机镓源，生长低温GaN缓冲层；(3)生长高温GaN缓冲层，在900-1150℃温度下通入与生长低温GaN缓冲层同样流量范围的氨气和有机镓源，生长厚度在0.5um-2um的高温GaN缓冲层；低温和高温GaN缓冲层的厚度均为0.5um-2um；(4)在GaN高温缓冲层上通过Mn掺杂控制合成生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料，在800-1100℃温度下通入流量范围分别为0.1-5slm、1-50sccm和10-5000sccm的氨气、有机镓源和Mn掺杂剂，根据所需材料厚度控制时间生长GaMnN稀释磁性半导体薄膜材料；生长过程中控制反应源冷井温度分别为TMGa 0±3℃；Cp2Mn 40±5℃；生长腔压力保持5-500Torr。