[發明專利]一種室溫鐵磁硅鍺錳半導體薄膜的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202010718907.7
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN112063980A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 向鋼;張析;王煥明;馮雷豪;汪淵;孫森
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/02;C23C14/16;C23C14/58
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本發明公開了一種室溫鐵磁硅鍺錳半導體薄膜的制備方法及應用，其化學組成式Si_1?xGe_xMn_y，其中0.7≤x≤0.8,y≤0.3，屬于半導體薄膜制備技術領域，制備方法包括在多靶共濺磁控濺射真空室中分別裝入高純硅靶、高純鍺靶、高純錳靶；將高純本征單晶鍺加熱至250℃；預濺射硅靶、鍺靶以及錳靶各20min；濺射鍺緩沖層、共濺射沉積Si_1?xGe_xMn_y層；保持250℃溫度一小時后，待冷卻到室溫，得到沉積態的Si_1?xGe_xMn_y薄膜；然后退火，整個過程在惰性氣體中進行；該方法能夠快速制備出室溫鐵磁Si_1?xGe_xMn_y薄膜，Si_1?xGe_xMn_y薄膜具有良好結晶性和室溫鐵磁性。

技術領域

本發明屬于半導體薄膜制備技術領域，具體涉及一種室溫鐵磁硅鍺錳半導體薄膜的制備方法及其應用，其化學組成式為Si_1-xGe_xMn_y，其中0.7 ≤ x ≤ 0.8, y ≤ 0.3。

背景技術

磁性半導體由于在自旋電子器件中的潛在應用，在過去的二十年中受到人們的廣泛關注。圍繞在V， II-VI， IV和I–II–V半導體中摻雜各種過渡金屬進行了大量研究。 其中，Mn摻雜的IV族半導體因與當前硅工藝技術兼容而備受關注。 但是，由于Mn在IV型半導體中的溶解度較低，通常在Mn重摻雜的Si或Ge中形成具有鐵磁性的硅化錳和鍺化錳化合物納米結構。 這種嵌入式富錳納米結構可能是實現高居里溫度自旋電子器件的有效方法。雖然人們已對Mn重摻雜的Ge和Si進行了廣泛的研究，但是尚未對Mn摻雜的SiGe合金進行過類似的研究。 因為硅鍺合金已被廣泛用于晶格應變和高速晶體管中，因此制備高濃度錳摻雜的硅鍺合金對磁性半導體的研究尤為重要。

在本專利工作中，我們通過射頻磁控管濺射合成了錳摻雜（錳含量 ≤ 30％）的Si_1-xGe_xMn_y薄膜，然后通過快速熱退火處理的方式制備出良好結晶的室溫鐵磁Si_1-xGe_xMn_y半導體薄膜。

發明內容

本發明提供了一種室溫鐵磁硅鍺錳半導體薄膜的制備方法及其應用。

一種室溫鐵磁硅鍺錳半導體薄膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟S1：在多靶共濺磁控濺射真空室中分別裝入高純硅靶、高純鍺靶、高純錳靶以及高純本征單晶鍺，關閉倉門并抽真空至10^-5pa；

高純硅靶是指硅的質量分數大于99.9999 %的硅靶，高純鍺靶是指鍺的質量分數大于99.9999 %的鍺靶，高純錳靶是指錳的質量分數大于99.999 %的錳靶，高純本征單晶鍺是鍺含量大于99.9999 %的本征單晶鍺；

步驟S2：將高純本征單晶鍺加熱至250 ℃，并保持一小時；

步驟S3：預濺射硅靶、鍺靶以及錳靶各20 min，濺射功率為50 W，濺射時通入惰性氣體，惰性氣體的氣壓為0.5～1 Pa；

步驟S4：濺射沉積鍺過渡層，濺射功率為30 W，濺射時間為2 min，濺射時通入氬氣，氬氣氣壓為0.3 Pa；

步驟S5：共濺射沉積錳原子百分比含量為y的Si_1-xGe_xMn_y層，濺射功率為硅靶30 W、鍺靶30 W、錳靶5-30 W，濺射時間為20 min，濺射時通入惰性氣體，惰性氣體的氣壓為0.3 Pa；(0.7 ≤ x ≤ 0.8, y ≤ 0.3)