[发明专利]一种Si掺杂AlN稀磁半导体薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型半导体自旋电子器件材料制备领域，涉及非磁性主族元素掺杂的AlN基稀磁半导体薄膜及其制备方法，特别涉及具有室温铁磁性、高居里温度的一种Si掺杂AlN稀磁半导体薄膜的制备方法。

背景技术

近年来，稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors, DMSs) 迅速成为当今自旋电子学材料研究的热点，这是由于DMSs材料兼备了电子的自旋极化和电荷属性，且可以避免铁磁金属-半导体界面处传导率失配的问题，其次DMSs在制造器件时能够很好的和现有的半导体技术兼容。因而在高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成电路、光隔离器件和半导体激光器集成电路以及量子计算机等领域具有广阔的应用前景。

稀磁半导体对于信息传输和信息存储来说是一个具有变革性质的材料，AlN作为带隙宽度最大的氮化物半导体，具有优良的光电和压电特性，它在蓝光、紫外光发射及探测器件、高温大功率光电器件、声表面波器件、光电子器件等方面显示出了广阔的应用前景，成为光电研究领域热门研究课题。AlN基DMSs不仅具有半导体的光电特性，而且具有新颖的磁电和磁光特性，已经成为新功能材料领域的研究热点。

据有关报道，掺杂磁性过渡离子在AlN中获得良好的铁磁性，大多数可以达到室温或者室温以上，其中2004年H.X. Liu等人采用分子束外延法在蓝宝石衬底上生长了 Cr掺杂AlN薄膜的居里温度高于900K，参阅Appl. Phys. Lett.第85卷4076-4079页。到目前为止，研究较多的体系是Mn、Cr、Co、Fe等过渡金属元素掺杂的AlN，但由于上述金属或其化合物本身就有磁性，这就为研究铁磁性来源增添了难度。而非磁性主族元素掺杂在AlN结构中的研究较少，1997年P. Bogusawski等人的研究发现若Si若取代AlN中的阳离子，将在AlN中形成浅能级施主；若Si取代N的位置，则形成深能级受主。同时将Si掺入AlN中可以得到电学性能较理想的n型AlN薄膜材料，明显提高AlN薄膜的导电率，降低Madelung能，改善薄膜的导电性质，参阅Phys. Rev. B.第56卷9496-9505页。但是到目前为止，实验上始终没有Si掺杂AlN铁磁性的报道。本研究采用射频磁控溅射法首次在实验上制备了具有室温铁磁性的非磁性主族元素Si掺杂AlN稀磁半导体薄膜，最重要的是：这将对自旋电子学是一个挑战，同时也是对自旋电子学的一个扩展。

近年来，国内外很多研究小组对过渡、稀土金属元素掺杂AlN基DMSs材料展开了广泛研究。目前采用的方法主要有：电弧法、分子束外延法、离子注入法、化学气相沉淀法、磁控溅射法等。

电弧法；2009年W.W. Lei等人采用直流电弧放电等离子体法制备了Sc掺杂AlN六重对称等级纳米结构，参阅Appl. Phys. Lett.第95卷162501-162504页。

分子束外延法：2005年R.M. Frazier等人采用气源分子束外延法制备了Cr掺杂AlN薄膜，参阅Appl. Phys. Lett.第86卷052101-052104页。

离子注入法：如2003年Frazier等制备出Co、Cr以及Mn掺杂AlN薄膜，参阅J. Appl. Phys.第94卷1592-1596页。

化学气相沉淀法：2007年X.H. Ji等人采用化学气相沉积法在无催化剂的Si衬底上制备了Cu掺杂AlN纳米棒，参阅Nanotechnology.第18卷 105601-105605页。2007年Y. Yang等人采用化学气相沉积法通过Mn原位掺杂制备了Mn掺杂AlN纳米线，参阅Appl. Phys. Lett.第90卷092118-092121页。