[發明專利]具有內稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導體薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210185344.5
• 申請日: 2012-06-07
• 公開（公告）號: CN102676994A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 熊澤;劉學超;卓世異;孔海寬;楊建華;施爾畏
• 申請（專利權）人: 上海硅酸鹽研究所中試基地;中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/34
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明屬于半導體薄膜材料技術領域，涉及一種高質量、電阻率和載流子濃度可調、具有室溫內稟鐵磁性的過渡金屬離子摻雜ZnO稀磁半導體薄膜及其制備方法。

背景技術

二十世紀五十年代以來，對硅（Si）為代表的半導體材料的研究和應用使人們迎來了信息技術革命的浪潮。進入二十一世紀，人們對信息處理、信息傳輸和信息存儲的速度和規模提出了空前要求，信息技術的發展迎來了新的機遇和挑戰。一方面，主要依賴于電子電荷屬性的信息處理和傳輸元件開始遭遇到尺寸效應的瓶頸。另一方面，以磁性材料為載體的信息存儲元件則比較單一地依賴于電子的自旋屬性。如果能同時利用電子的電荷與自旋屬性，研制開發出新一代的自旋電子器件，無疑將引發一場新的信息技術革命。

稀磁半導體（Diluted?Magnetic?Semiconductors,?DMSs）是指由磁性離子（過渡金屬離子或稀土金屬離子）部分替代半導體中的非磁性離子后形成的一類新型半導體材料。由于DMSs擁有新穎的磁光、磁電性能，并且能同時利用載流子的電荷屬性和自旋屬性，因而在自旋場效應晶體管、自旋發光二極管、自旋閥等自旋電子器件領域有著廣闊的應用前景。除此之外，由于DMSs是以半導體材料為基體經摻雜引入磁性離子后得到的，相對于傳統磁性半導體材料，DMSs與當前的半導體工藝更有可能兼容。

DMSs研究的一個重要的方面是獲得具有高居里溫度的內稟鐵磁性材料。ZnO是一種直接帶隙（3.4?eV）高激子結合能（60?meV）的半導體材料，具有優良光電特性，在透明導電薄膜、紫外半導體激光等方面有廣泛的應用。此外，ZnO還有成本低廉、原料易獲得、無毒、對制備條件要求相對較低等優點。

在過去十幾年里，人們對過渡金屬（Mn、Co、Fe、Ni等）摻雜ZnO開展了大量的研究。2001年日本Osaka大學Ueda等人在Appl.?Phys.?Lett.發表文章公開了n型Zn_1-xTM_xO（x=0.05～0.25，TM=Co、Cr、Mn、Ni），然而對所制備的Ni、Cr、Mn摻雜的薄膜進行分析，并沒有觀察到鐵磁性。北京大學的專利申請CN101016164A公開一種摻鈷氧化鋅（Co_xZn_1-xO）稀磁半導體材料；浙江大學的專利申請CN101183607A公開一種氧化鋅摻雜鐵（Zn_1-xFe_xO）稀磁半導體材料。然而，由于摻雜引入的過渡金屬本身或其氧化物具有鐵磁性，為澄清稀磁半導體的磁性來源帶來了很大困難。此外，DMSs多只在低電阻率時具有鐵磁性，當高電阻率較高時鐵磁性會減弱或者消失，這限制了材料實際應用范圍。例如CN101483219A公開一種Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導體薄膜，其具有室溫鐵磁性，然而其電阻率較低，為10^-2?Ω×cm數量級。?又，張春富等人通過計算表明Cr摻雜ZnO可能具有室溫以上的居里溫度和鐵磁性，并基于此設計了一種Cr摻雜的ZnO納米線（Zn₄₆Cr₂O₄₈）（物理學報?Acta?Phys.?Sin.?Vol.?60,?No.12?(2011)?127503）；CN101615467A公開一種Cr摻雜ZnO基稀磁半導體材料的制備方法，然而其沒有公開制備的材料Cr摻雜量。上述關于Cr摻雜ZnO的稀磁半導體材料都沒有公開材料的電阻率。因此，制備具有內稟鐵磁性的電阻率可調的過渡金屬摻雜ZnO稀磁半導體薄膜仍然是DMSs領域的一個難點。

關于ZnO薄膜的制備，目前主要有射頻磁控濺射（CN101615467A）、脈沖激光沉積（PLD）（CN101483219A）、分子束外延（MBE）、化學氣相沉積（CVD）和溶膠-凝膠（Sol-Gel）（CN101183607A）法等幾種方法。上述方法在薄膜制備方面各有優缺點，與上述幾種制備方法相比，電感耦合等離子體增強物理氣相沉積（ICP-PVD）技術有許多優點，如等離子體增強系統能夠使濺射出來的粒子離子化，增加粒子活性，促進分解或解離，提高離子化率和沉積速率，從而提高薄膜沉積的質量；此外，該系統供氣系統簡單，制備過程中無毒性氣體使用和產生，能顯著減少環境污染。

發明內容

面對現有技術存在的上述問題，本發明旨在提供一種高質量、電阻率和載流子濃度可調、具有內稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導體薄膜以及一種設備簡單、易操作能顯著減少環境污染的制備ZnO基薄膜的方法。?