[发明专利]一种磁控溅射在硅上制锰铁薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明提供一种在硅衬底上磁控溅射结合退火方法制备铁磁性锰铁薄膜的工艺，特别是指一种磁控溅射结合退火方法制备薄膜的方法。

背景技术

稀磁半导体(DMS)是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素(TM)取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。存在的问题集中于稀磁半导体的磁性来源，倘若研究结果与人设想的相同，则必将给计算机领域带来一场新的革命。

目前对稀磁半导体是否具有铁磁性有了一定的共识，从载流子的角度把DMS分为三个区，载流子浓度较大在金属区时具有室温铁磁性，且磁性与载流子浓度有关，属于载流子诱导模型；载流子浓度较小属于绝缘区时也具有室温铁磁性，磁性与氧空位浓度有关，符合束缚磁极化子(BMP)模型；载流子浓度处于中间区时则无磁性。

对于稀磁半导体材料需进一步研究的课题有如：a)生长更多种类的材料；b)提高材料的居里温度；c)用稀磁半导体作为磁性金属与半导体相连接的界面层，实现自旋极化的载流子往非磁性半导体中的注入，来研究非磁性半导体中载流子的自旋；d)把稀磁半导体与半导体异质结组合起来，可出现新型器件；e)如何把其他磁性离子Fe、Co等引入GaAs中的问题，尚需要进行研究。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在硅衬底上磁控溅射制备铁磁性锰铁薄膜的方法，它是以硅为衬底，利用磁控溅射方法，采用锰靶和铁靶共溅射制备非晶的锰铁薄膜，然后在高温下退火形成锰铁晶态薄膜。其可制备硅基自旋电子材料及相关器件和电路。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，其特征在于包括以下过程：

1)以硅单晶为衬底材料；

2)采用磁控溅射方法，选择锰靶和铁靶两个靶；

3)将硅单晶衬底送入磁控溅射仪制备室；

4)衬底为室温或加温，锰靶和铁靶共溅射制备锰-铁薄膜；

5)退火，在硅单晶衬底上形成锰铁薄膜，该锰铁薄膜表现室温铁磁特性。

其中磁控溅射仪的工作气体采用氩气。

其中所述的硅衬底温度保持在20～400℃。

其中所选择的退火是选择在真空退火或者保护气体气氛退火，退火温度范围为500℃～900℃；保护气体为氮气和氩气。

具体实施方式

本发明的对象是一种在硅衬底上磁控溅射制备铁磁性锰铁薄膜的方法。是一种很有前途的稀磁半导体材料。现在一般是采用经过改进后的分子束外延或者其它真空蒸发的方式制备锰铁薄膜，而本发明采用磁控溅射方式，利用锰和铁两个靶，在硅衬底上共溅射制备了非晶锰铁薄膜，然后再经过退火的方式形成晶化的锰铁薄膜，薄膜在室温下表现出了铁磁特性。通过控制溅射功率、工作气压和靶距等参数可以获得不同锰含量X的锰铁薄膜。

本发明提供一种在硅衬底上磁控溅射制备铁磁性锰硅薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)以硅单晶为衬底材料；

2)采用磁控溅射方法，选择锰靶和铁靶两个靶；

3)将硅单晶衬底送入磁控溅射仪制备室；

4)衬底为室温或加温，锰靶和铁靶共溅射制备锰-铁薄膜；

5)退火，在硅单晶衬底上形成锰铁薄膜，该锰铁薄膜表现室温铁磁特性。

实施例

采用射频电源的磁控溅射仪，利用锰靶和铁靶两个靶，溅射气氛为氩气。加温衬底，衬底温度保持在400℃，工作气压为15Pa，锰靶和铁靶共溅射获得锰铁薄膜，400℃衬底温度下获得的锰铁薄膜是非晶态的。然后对该薄膜进行退火处理，退火温度为800℃，退火过程中通以流动的氮气作为保护气体，退火时间为2小时，获得了晶化的薄膜。