[发明专利]铁掺杂金刚石稀磁半导体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铁掺杂金刚石稀磁半导体及其制备方法，它以乙酰丙酮铁作为铁源，无水乙醇作为碳源，通过无水乙醇将乙酰丙酮铁引入微波等离子体化学气相沉积装置中，在基底上生长铁掺杂金刚石，实现将铁元素引入稀磁金刚石中。本发明首次以乙酰丙酮铁作为铁源，通过挥发的无水乙醇将其引入，采用微波等离子体化学气相沉积法制备稀磁金刚石半导体，并成功生长出在室温下具有铁磁效应的金刚石。并且发现，随着铁源用量的增加，金刚石的磁性强度呈现一种上升的现象。针对其的研究有利于最大程度地探究铁掺杂金刚石的稀磁半导体特性，同时也有利于探索金刚石磁性掺杂的更多可能性。

技术领域

本发明属于本发明涉及稀磁半导体制备领域，具体涉及一种室温下具有稀磁半导体特性的铁掺杂金刚石及其制备方法。

背景技术

稀磁半导体是一种具有重要前景的自旋源，是新一代自旋器件的重要支撑材料。仅仅半个世纪之前，一台功能有限的计算机大到要占满整间房间，而今天，我们的口袋里就装着功能强大的“电子设备”。人们对于小型化和更强大功能的电子设备的追求是无止境的，然而，热耗散和技术难点，例如隧道效应，影响了传统硅基晶体管的进一步发展。研究者们继续寻找着解决之道，其中非常有潜力的方法就是自旋电子学，因为对比电荷移动，可以利用更少的能量来控制电子自旋翻转。然而，Schmidt等人曾采用过渡金属(例如Ni，Co)作为自旋源注入到半导体通道，因为不匹配等原因，自旋注入的效率非常低(低于5％)，而且很难被探测到；而利用磁性元素掺杂获得自旋极化的稀磁半导体具有很高的自旋注入效率(高于90％)。因此，磁性元素掺入半导体成为最广泛研究的对象，例如已报道的磁性离子Mn掺杂的GaAs，GaN等稀磁半导体和过渡金属元素掺杂的ZnO基稀磁半导体。

金刚石具有禁带宽、击穿场强高、载流子迁移率高、介电常数低和导热性能好等优异的性能，同时兼具稳定的化学性能、高硬度、耐磨性和抗辐射能力强等特点，是一种有发展前途的高温、大功率宽禁带半导体材料，被誉为第四代半导体首选材料。因此，对铁掺杂金刚石薄膜的制备工艺进行探索具有重要意义。然而，目前未有此类金刚石的文献和专利报道，因为此类金刚石生长条件复杂，对生长参数非常敏感，所以难以通过常规方法获得。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种铁掺杂金刚石稀磁半导体及其制备方法，成功地将铁掺入金刚石薄膜，并且随着铁掺入量的增加，金刚石薄膜的磁性强度呈现上升的变化趋势，可获得室温下具有稀磁半导体特性的金刚石。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

铁掺杂金刚石稀磁半导体的制备方法，它以乙酰丙酮铁作为铁源，无水乙醇作为碳源，通过无水乙醇将乙酰丙酮铁引入微波等离子体化学气相沉积装置中，在基底上生长铁掺杂金刚石薄膜，实现将铁元素引入金刚石薄膜中，得到铁掺杂金刚石稀磁半导体。

按上述方案，所述基底预先使用金刚石悬浮液进行超声清洗，增大硅片表面能，利于金刚石形核。例如，所述基底选自硅片等。

按上述方案，乙酰丙酮铁溶解于无水乙醇中，通过加热挥发通入微波等离子体化学气相沉积装置的沉积腔体。其中，乙酰丙酮铁在无水乙醇中的浓度为0.25～2.5g/L；加热挥发可以通过水浴加热乙酰丙酮铁和无水乙醇的混合溶液进行，加热温度范围为35～50℃。

进一步优选地，乙酰丙酮铁溶解于无水乙醇中，通过加热挥发和惰性载气的携带通入微波等离子体化学气相沉积装置的沉积腔体。其中，惰性载气的流量为5～10sccm，惰性载气可以选择氩气等稀有气体。

按上述方案，微波等离子体化学气相沉积装置的工艺参数为：向沉积腔体内通入氢气，调节微波功率和真空腔内气压，激发产生等离子体，氢气流量为100～200sccm，微波功率为700～1100W，工作气压为10～12kPa，基片温度为700～900℃，反应时间6-28h。

优选地，本发明还提供一种更为具体的铁掺杂金刚石稀磁半导体的制备方法，主要步骤如下：