[发明专利]一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法

说明书

本发明公开了一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，采用原子层沉积系统的远端氧等离子体吹扫GaN单晶薄膜，使氧初始附着氮化镓表面；然后采用氧化物分子束外延统，在高温下利用臭氧氧化氮化镓表面，在GaN表面形成一层薄的氧化镓（GaOsubgt;x/subgt;）；最后采用磁控溅射系统，在GaOsubgt;x/subgt;层上溅射铁磁金属层以及贵金属保护层，实现铁磁金属注入电极，完成自旋注入结的制备。该方法利用氧化物分子束外延系统以及原子层沉积系统，实现大面积、连续、高质量的自氧化GaOsubgt;x/subgt;自旋隧穿介质层，具有重复性高，成本低，可大规模生产以及隧穿层界面质量佳的优点。

技术领域

本发明属于GaN基自旋电子学的技术领域，具体涉及一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法。

背景技术

GaN作为第三代半导体，在高频、大功率电子器件、固态照明、紫外和深紫外相干光源及探测器等多种功能器件中有着成熟的应用，为探索相关自旋电子应用提供了平台。GaN由于其本质上较弱的自旋轨道耦合以及较弱的自旋弛豫，被认为是一种很有前途的室温自旋电子器件半导体。然而自旋注入所需要的隧穿势垒内部的局域界面态可能会捕获自旋极化电子，并且隧穿势垒（MgO以及Al₂O₃）很容易在工艺流程中损坏，例如水解效应。同时，利用磁控溅射或者原子层沉积生长氧化物隧穿层成本高，很难大规模生产。利用氧化物介质层实现高质量高效率自旋隧穿注入结仍具有挑战性。

GaN表面通过光化学氧化、脉冲激光沉积、氧等离子体氧化和热氧化自氧化形成的氧化物GaO_x（以β-Ga₂O₃居多）化学性质稳定，禁带宽度大，作为GaN基互补金属氧化物半导体栅极界面态密度低。因此，自氧化形成的GaO_x介质是作为自旋注入隧穿结势垒层天然的平台。但是氮化镓自氧化隧穿介质在自旋注入结制备方面的技术缺失。

发明内容

针对现有技术的不足，以及自氧化在自旋注入方面的技术缺失，本发明提供了一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，利用氧化物分子束外延系统以及原子层沉积系统，实现大面积、连续、高质量的自氧化氧化镓GaO_x自旋隧穿介质层。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，采用原子层沉积系统的远端氧等离子体使干净GaN表面均匀附着氧；采用氧化物分子束外延系统，在臭氧环境下高温退火，实现重建等离子体氧化并解决GaN表面形成结晶自氧化介质层的需求；通过磁控溅射以及光刻，实现在自氧化介质层上形成平整连续铁磁金属注入电极，完成自旋注入结的制备。

进一步地，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤a. 将衬底上生长的GaN单晶薄膜样品置入原子层沉积系统，利用远端氧等离子体清洗样品表面。

步骤b. 将氧等离子体清洗过的样品传送至氧化物分子束外延系统，利用臭氧氧化表面，在GaN薄膜上形成自氧化GaO_x层，其中1≤x≤2。

步骤c. 将氧化后的样品传至磁控溅射系统，在自氧化GaO_x层上制备铁磁金属膜。

步骤d. 在磁控溅射系统中，在铁磁金属膜上溅射一层贵金属保护膜。

步骤 e. 镀膜结束后，将样品进行光刻工艺，结合刻蚀工艺，制备铁磁金属注入电极结构，获得氮化镓自旋注入结器件。

作为优选，所述步骤a中，GaN单晶薄膜样品初始表面需要清洗或者利用真空互联直接将金属有机化合物化学气相沉淀生长好的氮化镓单晶薄膜样品传送至原子层沉积系统中。