[發明專利]一種表面自氧化的氮化鎵自旋注入結制備方法

有效

• 申請號: 202310293802.5
• 申請日: 2023-03-24
• 公開（公告）號: CN116013961B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 唐寧;孫真昊;陳帥宇;張仕雄;樊騰;姜稼陽;李國平;沈波
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/267;H01L29/66;H01L21/265
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種表面自氧化的氮化鎵自旋注入結制備方法，采用原子層沉積系統的遠端氧等離子體吹掃GaN單晶薄膜，使氧初始附著氮化鎵表面；然后采用氧化物分子束外延統，在高溫下利用臭氧氧化氮化鎵表面，在GaN表面形成一層薄的氧化鎵（GaOsubgt;x/subgt;）；最后采用磁控濺射系統，在GaOsubgt;x/subgt;層上濺射鐵磁金屬層以及貴金屬保護層，實現鐵磁金屬注入電極，完成自旋注入結的制備。該方法利用氧化物分子束外延系統以及原子層沉積系統，實現大面積、連續、高質量的自氧化GaOsubgt;x/subgt;自旋隧穿介質層，具有重復性高，成本低，可大規模生產以及隧穿層界面質量佳的優點。

技術領域

本發明屬于GaN基自旋電子學的技術領域，具體涉及一種表面自氧化的氮化鎵自旋注入結制備方法。

背景技術

GaN作為第三代半導體，在高頻、大功率電子器件、固態照明、紫外和深紫外相干光源及探測器等多種功能器件中有著成熟的應用，為探索相關自旋電子應用提供了平臺。GaN由于其本質上較弱的自旋軌道耦合以及較弱的自旋弛豫，被認為是一種很有前途的室溫自旋電子器件半導體。然而自旋注入所需要的隧穿勢壘內部的局域界面態可能會捕獲自旋極化電子，并且隧穿勢壘（MgO以及Al₂O₃）很容易在工藝流程中損壞，例如水解效應。同時，利用磁控濺射或者原子層沉積生長氧化物隧穿層成本高，很難大規模生產。利用氧化物介質層實現高質量高效率自旋隧穿注入結仍具有挑戰性。

GaN表面通過光化學氧化、脈沖激光沉積、氧等離子體氧化和熱氧化自氧化形成的氧化物GaO_x（以β-Ga₂O₃居多）化學性質穩定，禁帶寬度大，作為GaN基互補金屬氧化物半導體柵極界面態密度低。因此，自氧化形成的GaO_x介質是作為自旋注入隧穿結勢壘層天然的平臺。但是氮化鎵自氧化隧穿介質在自旋注入結制備方面的技術缺失。

發明內容

針對現有技術的不足，以及自氧化在自旋注入方面的技術缺失，本發明提供了一種表面自氧化的氮化鎵自旋注入結制備方法，利用氧化物分子束外延系統以及原子層沉積系統，實現大面積、連續、高質量的自氧化氧化鎵GaO_x自旋隧穿介質層。

為達到以上目的，本發明采取的技術方案為：

一種表面自氧化的氮化鎵自旋注入結制備方法，采用原子層沉積系統的遠端氧等離子體使干凈GaN表面均勻附著氧；采用氧化物分子束外延系統，在臭氧環境下高溫退火，實現重建等離子體氧化并解決GaN表面形成結晶自氧化介質層的需求；通過磁控濺射以及光刻，實現在自氧化介質層上形成平整連續鐵磁金屬注入電極，完成自旋注入結的制備。

進一步地，本發明的技術方案包括如下步驟：

步驟a.?將襯底上生長的GaN單晶薄膜樣品置入原子層沉積系統，利用遠端氧等離子體清洗樣品表面。

步驟b.?將氧等離子體清洗過的樣品傳送至氧化物分子束外延系統，利用臭氧氧化表面，在GaN薄膜上形成自氧化GaO_x層，其中1≤x≤2。

步驟c.?將氧化后的樣品傳至磁控濺射系統，在自氧化GaO_x層上制備鐵磁金屬膜。

步驟d.?在磁控濺射系統中，在鐵磁金屬膜上濺射一層貴金屬保護膜。

步驟?e.?鍍膜結束后，將樣品進行光刻工藝，結合刻蝕工藝，制備鐵磁金屬注入電極結構，獲得氮化鎵自旋注入結器件。

作為優選，所述步驟a中，GaN單晶薄膜樣品初始表面需要清洗或者利用真空互聯直接將金屬有機化合物化學氣相沉淀生長好的氮化鎵單晶薄膜樣品傳送至原子層沉積系統中。