[发明专利]具有室温铁磁性氢铪共掺杂氧化铟薄膜的制备方法

说明书

一种具有室温铁磁性氢铪共掺杂氧化铟薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射法。以二氧化铪(HfO₂)掺杂量为1.5～10wt.％的In₂O₃陶瓷靶为靶材，单晶硅作为衬底，纯度99.99％以上的高纯氩气(Ar)作为溅射气体，溅射过程中通入氢气(H₂)作为掺杂源沉积，得到不同磁化特征的氢铪共掺杂氧化铟薄膜。

技术领域

本发明涉及一种直流磁控溅射制备室温铁磁性薄膜的方法，特别涉及一种通过氢气掺杂量来调控薄膜磁化特征的方法。

背景技术

稀磁半导体结合了半导体的电荷输运特性和磁性材料的信息存贮特性，因其在自旋电子器件中的应用引起了广泛研究的兴趣。基于Dietl等人[T.Dietl等，Phys.Rev.B，63，195205(2001)]理论预言了宽带隙半导体材料的室温铁磁性，过渡金属元素掺杂氧化锌，二氧化钛及氧化铟等氧化物稀磁半导体材料吸引了相当关注。目前，研究得到钼[C.Y.Park等，Appl.Phys.Lett.，95，122502(2009)]、锰[Y.K.An等，Appl.Phys.Lett.，102，212411(2013)]、镍[G.Peleckis等，Appl.Phys.Lett.，89，022501(2006)]、铁[X.H.Xu等，Appl.Phys.Lett.，94，212510(2009)]掺杂、锰铬[F.X.Jiang等，Appl.Phys.Lett.，96，052503(2010)]、铁铜[Y.K.Yoo等，Appl.Phys.Lett.，86，042506(2005)]、钛钒铬[A.Gupta等，J.Appl.Phys.，101，09N513(2007)]共掺杂氧化铟薄膜的室温铁磁性。迄今为止，直流磁控溅射制备室温铁磁性氢铪共掺杂氧化铟薄膜还未见相关报道。

发明内容

本发明目的是提供一种直流磁控溅射制备氢铪共掺杂三氧化二铟(In₂O₃)铁磁性薄膜(IHFO)的方法，特别涉及一种通过氢气掺杂量来调控薄膜磁化特征的方法。

本发明采用HfO₂掺杂量为1.5～10wt.％的In₂O₃陶瓷靶，Ar气为溅射气体，溅射过程中通入H₂作为掺杂源，通过调控溅射功率密度、衬底温度、沉积气压、H₂掺杂量，获得不同磁性特征的IHFO薄膜。由以下步骤实现：

步骤1、清洗单晶硅衬底

把单晶硅衬底放入去离子水中，加入含烷基苯磺酸钠的洗涤灵，80℃水浴1h以上。等降温到低于40℃，超声15min以上，然后用去离子水冲洗至没有泡沫，倒入适量酒精，超声15min以上，再用去离子水冲洗5次以上，加入适量去离子水，再超声15min以上。

步骤2、制备薄膜

将经清洗的单晶硅衬底装入磁控溅射装置中，采用HfO₂掺杂量为1.5～10wt.％的In₂O₃陶瓷靶，当腔室真空度达到10^-3Pa时，打开加热装置对衬底加热，加热温度范围160℃～500℃，保温至少30min。

以Ar气体为溅射气体。溅射过程中通入H₂作为掺杂源，氩气分压为0.4～1.9Pa，氢气分压为2.5×10^-2～0.125Pa，以及溅射功率密度为1.5～5W/cm²、衬底温度为160～500℃，溅射过程中改变Ar流量、H₂流量、溅射功率密度、衬底温度及气压中的一个或几个参数，可制备得到不同饱和磁化强度的IHFO薄膜。

本发明可制备不同磁化特征的IHFO薄膜，薄膜晶粒致密，均匀性好，可实现大面积沉积，并可通过控制氢气流量来调控磁化特征，制备工艺易控。

附图说明