[發明專利]一種Mg摻雜AlN基稀磁半導體薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201310243470.6
• 申請日: 2013-06-19
• 公開（公告）號: CN103334083A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 熊娟;顧豪爽;楊洋;郭飛
• 申請（專利權）人: 湖北大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34
• 代理公司: 武漢金堂專利事務所 42212
• 代理人: 丁齊旭

技術領域

本發明屬于新型半導體自旋電子器件材料制備領域，涉及非磁性金屬離子摻雜的氮化鋁基稀磁半導體薄膜及其制備方法，特別涉及具有室溫鐵磁性、高居里溫度的Mg摻雜AlN基稀磁半導體薄膜的制備方法。

背景技術

近年來，稀磁半導體（DMSs）由于兼具了電子的自旋極化和電荷雙重特性，且DMSs器件的制備工藝能夠很好的與現有半導體技術兼容，因而在磁感應器、光隔離器、半導體激光器、自旋量子計算機等領域具有廣闊的應用前景。DMSs器件在工業領域的應用需要室溫可用的高居里溫度稀磁半導體材料。AlN作為一種寬帶隙半導體材料，具有優異的光電和壓電特性，在紫外光學器件、高溫大功率光電器件、聲表面波器件、光電子器件等領域顯示出廣闊的應用前景。因此制備AlN基DMSs，有望實現大的自旋極化載流子濃度、高居里溫度，使AlN優異的光電特性與DMSs的自旋電子特性相結合，已經成為新功能材料領域的研究熱點。

據有關報道，摻雜磁性過渡金屬離子在AlN中獲得良好的鐵磁性，居里溫度大多數可以達到室溫或室溫以上。到目前為止，研究較多是Fe、Co、Ni、Mn等過渡磁性金屬摻雜的AlN，而對非磁性離子Mg金屬摻雜AlN的研究較少。2006年R.Q.Wu等人采用密度泛函理論通過計算預測，在富氮氣氛下采用Mg取代AlN中的陽離子，有望獲得室溫鐵磁性的AlN結構，參閱Appl.?Phys.?Lett.?第89卷142051頁。但到目前為止，尚未見Mg摻雜AlN鐵磁性的實驗報道。

近年來，國內外眾多研究小組對過渡、稀土金屬摻雜AlN基DMSs開展了廣泛研究，采用的主要制備方法有：脈沖激光沉積法、化學氣相沉淀法、分子束外延法、磁控濺射法等。

脈沖激光沉積法：2009年，B.S.?Kang等人制備出Cr摻雜AlN薄膜，參閱

Phys.?Scr.第79卷025701頁；

化學氣相沉積法：2010年，W.W.?Lei等人制備出Y摻雜AlN納米棒，參閱J.?Phys.?Chem.?C?第114卷15574-15577頁；2009年，S.L.?Yang等人制備出Co摻雜AlN納米針，參閱Appl.?Phys.?A第96卷769-774頁；

分子束外延法：2011年，P.R.?Ganz等人采用等離子體輔助分子束外延法制備了Cu摻雜AlN薄膜，參閱J.?Cryst.?Growth第323卷355-358頁；

磁控濺射方法：2007年，X.D.?Gao等人采用直流共濺射制備了具有室溫鐵磁性的Fe摻雜AlN薄膜，參閱Appl.?Surf.?Sci.?第253卷5431-5435頁。

由上述可以看出，脈沖激光沉積和分子束外延成本較高，不利于工業化生產。化學氣相沉積方法需要在高溫下進行，基片溫度高，重復性差，很難沉積均勻摻雜的稀磁半導體薄膜。磁控濺射方法工藝簡單、成本低、沉積速率高、重復性好。目前為止，Mg摻雜AlN基稀磁半導體薄膜材料還未見報道。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種磁控濺射制備室溫鐵磁性的Mg摻雜AlN基稀磁半導體薄膜的方法，以解決現有技術制備工藝穩定性差、成本高等問題。提出以高純氮氣與氬氣為工作氣體，采用高純Al靶和Mg靶通過交替濺射方法獲得氮化鋁基稀磁半導體薄膜材料。本方法簡單易行、成本地、重復性好，可以實現工業化生產。

實現本發明的技術方案如下：

采用射頻磁控濺射系統，靶材為純度為99.999%的Al靶（直徑為60mm）和99.995%的Mg靶（直徑為60mm），雙靶交替濺射。系統的本底真空度為10^-4-10^-5?Pa，濺射AlN時工作氣體為高純氬氣與氮氣混合氣體，流量比3:2，工作氣壓為0.5-5?Pa，射頻功率為50-200?W，襯底溫度為300℃，每次濺射10-20?min。濺射鎂前，關閉氬氣及氮氣氣閥，使系統回復至本底真空。濺射鎂時的工作氣體為高純氬氣，氬氣流量為10-20?sccm，工作氣壓為0.5-5?Pa，濺射功率為50-100?W，襯底溫度為300℃，每次濺射時間2-10?s。正式濺射前，用100?W入射功率轟擊Al靶及Mg靶10-25?min，去除靶材表面雜質及氧化層。預濺射結束后，開始按上述順序交替濺射4次氮化鋁、3次鎂，使生成的薄膜總厚度為400--500nm。