[发明专利]一种铁磁半导体薄膜的转移方法及应用

说明书

本发明公开了一种铁磁半导体薄膜的转移方法及应用，该方法实现了(Ga,Mn)As薄膜在任意衬底上的转移。转移之后的(Ga,Mn)As薄膜可以与其他不同物理特性的二维层状材料(如半金属石墨烯，半导体MoS₂、超导体NbSe₂等)通过范德瓦尔斯力构建磁性异质结构，可用于制备新奇的自旋器件。采用本发明可以提高(Ga,Mn)As薄膜与传统硅工艺集成技术的兼容性，对拓展自旋电子学的应用有重要的意义。

技术领域

本发明涉及半导体腐蚀工艺和薄膜转移技术领域以及半导体自旋电子学领域，具体涉及一种铁磁半导体薄膜的转移方法及采用该方法构建范德瓦尔斯异质结的方法。

背景技术

硅基互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)场效应晶体管工艺已经发展到14nm技术节点，预计很快将达到其极限，需要寻找新的信息器件来延续摩尔定律。利用操控半导体中电子自旋自由度发展出的自旋电子学(spintronics)可实现更高密度、更高速度和更低功耗的信息存储与处理。寻找合适的自旋注入源是实现半导体自旋电子学的关键。磁性半导体作为自旋注入源有三方面的优势：(1)可以避免与半导体电导率失配问题；(2)可与现有的半导体工艺兼容；(3)具有较高的自旋注入效率。1996年，磁性半导体(Ga,Mn)As被成功制备出来之后，它作为一种具有代表性的磁性半导体在半导体自旋电子学领域有着极为广泛的应用。

当前制备铁磁半导体(Ga,Mn)As薄膜主要采用低温分子束外延技术(LT-MBE)。分子束外延技术要求(Ga,Mn)As薄膜生长在晶格匹配的衬底上，如GaAs、(In,Ga)As等。由于该衬底的存在，大大限制了基于(Ga,Mn)As薄膜自旋器件的灵活应用。如果能将(Ga,Mn)As薄膜从其生长衬底剥离，并转移到任意衬底，对基于(Ga,Mn)As薄膜的基础和应用研究具有深远的意义。转移之后的(Ga,Mn)As薄膜可以与其他不同物理特性的二维层状材料(如半金属石墨烯，半导体MoS₂、超导体NbSe₂等)通过范德瓦尔斯力构建磁性异质结构，可用于制备新奇的自旋器件。通过转移技术，可以提高(Ga,Mn)As薄膜与传统硅工艺集成技术的兼容性，对拓展自旋电子学的应用有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将分子束外延(MBE)生长的铁磁半导体(Ga,Mn)As从GaAs衬底上剥离并转移的方法，采用该方法可以构建和其他二维材料的范德瓦尔斯异质结构，为进一步开展基于(Ga,Mn)As的异质结构新奇物理特性研究提供方便。

本发明的技术方案如下：

一种(Ga,Mn)As铁磁半导体薄膜的转移方法，包括以下步骤：

1)采用固态低温分子束外延生长法(LT-MBE)在GaAs衬底上获得带有(Al,Ga)As牺牲层的(Ga,Mn)As薄膜；

2)在(Ga,Mn)As薄膜表面均匀旋涂一层含有密封蜡的三氯乙烯溶液，经固化、退火处理之后，形成密封蜡薄膜作为支撑层；

3)将样品解理成所需的形状和尺寸，露出(Al,Ga)As牺牲层的断面；

4)用低浓度氢氟酸溶液浸泡样品，利用氢氟酸对(Al,Ga)As的选择性腐蚀使(Ga,Mn)As薄膜脱离衬底；

5)用SiO₂/Si衬底将(Ga,Mn)As薄膜捞出、晾干，用三氯乙烯溶解除去(Ga,Mn)As薄膜表面的密封蜡；经清洗后在SiO₂/Si目标衬底上得到(Ga,Mn)As薄膜样品。

本发明进一步提供了一种基于剥离转移后的(Ga,Mn)As铁磁半导体薄膜的范德瓦尔斯异质结的构建方法，包括以下步骤：