CN100373531C - 一种纳米结的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备纳米结的方法，它是通过RF(射频)溅射方法在硅基片上依次镀制两种异质薄膜，然后采用传统慢扩散热处理方法或快速循环热处理方法获得复合成份的纳米结；按照本发明方法可以制备出通过不同的激励源(如：电场、磁场、光场、超声、微波等场)来控制自旋向上、自旋向下电子输运浓度的纳米结，进而制备出高密度量子存储器，纳米二极管，纳米三极管等纳米结器件，这些纳米结器件可广泛用于电子技术领域。

Description

一种纳米结的制备方法

技术领域

本发明属于电子材料与元器件技术领域，它特别涉及电子薄膜纳米界面以及通过界面形成器件的制备技术。

背景技术

“纳米结”：硅(Si)基片上依次采用通用的RF溅射镀制两种异质薄膜A和B，A的厚度定为1-100nm，B的厚度定为1-100nm，具体的结的厚度可由薄膜材料定，之后采用热扩散方法形成1-15nm的过渡区，该过渡区称之为“纳米结”，如图1所示。

1995年左右，美国海军实验室M.Johson博士结合他在加州大学读博士的研究工作，提出全金属自旋晶体管的概念。95～98年间此技术设想停滞，其原因是Johson提出的构思很难实现，产生的效应很弱，且非常难测量。所以在1998年此技术便向磁性/半导体、铁磁/磁稀疏半导体材料、CMR/铁电方向发展。我们首次提出纳米结的概念，并给出新的纳米结的制备方法和测试方法，最突出的特色是称之为“纳米结”的结构有类似半导体P-N结的线性或非线性I-V特性，但它是通过加磁场、热场和光照予以实现的，所以称之为场致纳米P-N结。目前国际上的研究热点是寻找此种结中自旋载流子的输运规律，制备方法以及材料合成，纳米厚度控制等，随着自旋电子学的发展，“纳米结”技术的研究工作在未来几年中将不断发展，特别是随着自旋器件为基础的工业应用的迅猛发展，本技术在自旋场效应管、自旋逻辑开关和逻辑存储单元中将会起到一定的支撑作用。纳米结效应是一个综合的技术，在完成材料及结构设计后，结的光电效应、磁光效应、磁电效应、磁光电效应、高频阻抗效应都与自旋电子态有关。也可以实现多种纳米器件。其理论工作特别是涉及与量子力学有关的理论工作有待于继续研究。事实上目前国际美、英、法和日本各大研究机构均已将研究的重点集中到这类器件的开发研究中。

下面将新型纳米结与现有的半导体结做一比较；现有的PN结主要制备方法有：1点接触法，它是将两种不同的金属丝跟半导体晶片接触，再接触处附近的晶面小区域上就形成了一个PN结。2合金法，它是把作为P型受主杂质的金属铟小球放在一块N型锗片上，在把它们放在通有氢气的石英管中加热烧结，形成PN结。3扩散法，它是利用杂质补偿原理从一块N型(或P型)半导体表面扩入P型(或N型)杂质使在半导体内形成一个PN结。4离子注入法，随着半导体器件的日益微型化，并且对掺杂要求(例如杂质量和杂质区域的精确性)的提高，出现了将具有一定加速能量的离子束直接注入到半导体内进行掺杂形成PN结的方法。

纳米结则是通过连续的镀制两种异质薄膜A，B后，通过热扩散在其界面处形成1-15nm的过渡区来实现的。

其两者的差别在于半导体结既不能实现以自旋输运为基础的量子高密度存储器件或低耗自旋晶体管，也不能制备出纳米量子器件，实现以光，电场，磁场，微波等场控制的纳米晶体管。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米结的制备方法，采用该方法可以制备出低成本高性能的纳米结薄膜材料，进而制备自旋二极管和三极管。

为了方便地描述本发明的内容，首先介绍本发明方案中所涉及的现有的装置和技术：

1、真空溅射设备，其示意图2所示，该设备为制膜通用设备，如市售意大利LS500型镀膜机；纳米厚度的控制采用石英晶体测厚仪。

2、用制备纳米结的快速循环扩散(RRTA)装置(如图3所示)，在A，B两种异质薄膜制成后，以起始晶化温度较低的材料的晶化温度为热扩散温度，并以RRTA法使A，B两种材料快速扩散形成1-15nm的过渡区。关于制备纳米晶材料快速循环晶化(RRTA)装置和方法的详细说明，见专利申请“一种制备纳米晶材料的快速循环晶化装置和方法”(专利申请号：200410022254.x)；

3、用于慢热扩散形成纳米结的装置(如图2所示)：采用真空退火的装置(如图2所示)，在A，B两种异质薄膜制成后，以起始晶化温度较低的材料的晶化温度为热扩散温度，将两种异质薄膜A和B放入真空室基片架8上，抽真空到10^-1Pa，升温到扩散温度，保温1小时后结束热扩散。

本发明提供的一种制备“纳米结”的方法，其特征是它采用下面的步骤：

步骤1、将A、B两种用于制备纳米结的异质材料分别制备成靶材，将靶材安装到真空溅射设备的溅射靶(11)上，准备洁净的硅基片；

步骤2、将洁净的硅基片放入真空溅射设备的真空室基片架(8)上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空；

步骤3、当真空室的真空度达到10^-4-10^-6Pa时，将基片架(8)对准靶A，若A为金属或金属合金，通氩气至气压为10^-1Pa；若A为氧化物，通入反应气体O₂，其分压强在10^-3-10^-5Pa之间，再通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频电源，功率设为20瓦～500瓦，溅射速率1～8埃/秒用石英晶体厚度仪控制，制备出厚度范围为1～100nm范围的纳米薄膜A；

步骤4、将基片架(8)对准靶B，若B为氧化物，通入反应气体O₂，其分压强在10^-3-10^-5Pa之间，再通氩气至气压为10^-1Pa；若B为GaAs或半导体，则通入N₂+O₂混合气体，其分压强在10^-3-10^-5Pa之间，再通氩气至气压为10^-1Pa；若B为金属或金属合金，通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频电源，功率设为20瓦～500瓦，溅射速率1～8埃/秒用石英晶体厚度仪控制，制备厚度范围为1～100nm范围的纳米薄膜B；

步骤5、在A，B两种异质薄膜制成后，以起始晶化温度较低的材料的晶化温度为慢扩散方法的热处理温度或快速循环热扩散方法的保温温度，通过采用慢扩散方法，或采用快速循环热热扩散方法就可以在两种异质薄膜A、B的交界面形成1～15nm的过渡区，该过渡区称之为“纳米结”，如图1所示；

步骤6，此纳米结加金属电极后就可构成纳米二极管或纳米三极管，电极连接如图5所示。

需要说明的是：

上面所述的真空溅射设备采用的是传统的真空溅射设备(如图2所示)；所述的快速循环热扩散方法是指专利申请“一种制备纳米晶材料的快速循环晶化装置和方法”(专利申请号：200410022254.x)中所述的快速循环晶化与热处理方法；

所述的A、B两种用于制备纳米结的异质材料是指A、B为两种不同的材料，这些材料的组合为首次提出，其组合形式的结构列于具体实例的例1到例5中。

本发明的一种制备纳米结的方法的实质是：利用本发明提供的制备纳米结的方法通过RF(射频)溅射方法在硅基片上依次镀制两种异质薄膜，然后采用热扩散方法或快速循环热扩散(RRTA)方法获得复合成分的纳米结；其特点是由此方法制备出的“纳米结”在通过外加激励源(如磁场、热场和光)激励后，该“纳米结”除具有类似传统的半导体P-N结的线性I-V(电流一电压)特性外，还具有场致磁光，磁电，压磁电，巨磁阻等效应。因此也就称该“纳米结”为纳米场致P-N结。这种纳米场致P-N结可制作新的纳米自旋二极管和自旋三极管。

工作原理：

随着纳米技术在材料特别是电子薄膜材料等电子领域的广泛应用，以铁磁金属/顺磁金属/铁磁金属/半导体，铁磁金属/稀疏磁半导体，钙钛矿铁磁/铁电体的界结构复合面形成纳米结，并形成一系列新型的纳米自旋器件(一个纳米结为二极管，两个纳米节为三极管)，在此技术中已被包括。本技术是以自旋电子在两种异质薄膜界面的输运为基础的。电子不仅是电荷的载体，同时它又是自旋的载体，自旋电子在铁磁、亚铁磁薄膜中发生能级劈裂，使电子能级分为自旋上、自旋下，而在顺磁金属中，自旋上下能级是简并的，在“结”两边加上电压使自旋电子在这样的准纳米P-N结中输运。由于自旋上、自旋下电子受纳米结势垒散射强度影响的不同，以及自旋上、下电子本身在同种薄膜材料中自发扩散长度的不同，使电子能级简并的结一边出现非平衡磁化，并有附加磁矩产生，此磁矩使两边电势平衡被打破，这样为使“结”两边电势重新平衡，一个附加的电势会出现，此电势将随加电流的变化而变化，即形成I-V曲线。这种I-V曲线形成不是以电子和空穴在结两边扩散而引起，而是由电子自旋上下扩散输运而引起，故称之为新纳米自旋P-N结。

按照本发明提供一种制备纳米结的方法制备的纳米结与传统的半导体P-N结比较，具有如下优点：

(a)可以制备出通过不同的激励源如：电场、磁场、光场、超声、微波等场来控制自旋载流子的纳米结，而传统的半导体仅靠电场控制P-N结载流子；

(b) 本发明制备的纳米结可以通过外场控制电子的自旋向上、自旋向下来实现“0”，“1”码的数字存储器件，半导体则不能通过外场实现控制存储，半导体不能实现自旋的量子高密度存储器件；

(c)由于本发明制备的纳米结中的异质结采用金属或稀疏半导体，因此载流子浓度比一般半导体大3个量级；

(d)本发明制备的纳米结可使结电压降到毫伏量级，功耗降低3个量级；

(e)本发明制备的纳米结可使目前的晶体管小到纳米量级，即实现纳米二极管和纳米三极管，集成度提高4个量级。

附图说明：

图1“纳米结”结构图

1－硅基片、2-A、3-A+B过渡层“纳米结”、4-B

图2为射频磁控溅射系统示意图

5.为真空室、6为加热器、7.为温度探头、8.为基片架具、9.为工作气体氩气入口、10.为挡板、11.为溅射靶(溅射靶A、B并列于真空室11位置)、12.为磁体、13为.冷却水管、14为匹配网络  15.为RF发生器16.为真空泵系统(分子泵+机械泵)、17为反应气体(N₂，O₂)

图3.18石英管端头密封塞、19为排气孔、20为冷却水管，用于环境降温阶段、21为温度测试与控制器、22为碘钨灯、23为石英管、24为氮气系统阀、25为真空系统阀、26为氮气瓶、27为真空抽气系统、28为电源、29为产生磁场的亥姆霍兹线圈、30为样品、31为外壳、32为真空室管口、33为橡胶管

图4半导体PN结的测试

34为可调电阻、35为PN结二极管、36为电流表、37为电压表

图5“纳米结”测试

38为A、39为A+B、40为B、41为电流表、42为电压表、43为激励源(包括电场，磁场，光源，微波，超声等)

具体实施方式

例一：铁磁—顺磁结(NiFe-Ag等)，应用于纳米自旋器件(纳米二极管，纳米三极管)

首先，将NiFe、Ag两种用于制备纳米结的材料制备成靶材，将靶材安装到溅射靶上，准备洁净的硅基片；

步骤2、将基片放入真空室基片架上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空；

步骤3、当真空度达到10^-4-10^-6Pa时，将基片对准NiFe靶，通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频源，功率设为20w-500W，溅射速率1-8A/S率，用石英晶体厚度仪控制，厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜NiFe；

步骤4、将基片对准Ag靶，重复步骤3，制备厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜Ag，

步骤5、之后采用热扩散方法或快速循环热扩散方法在NiFe、Ag两种薄膜界面形成1-15nm的过渡区---称之为“纳米结”。如图1所示，A为NiFe，B为Ag。

例二：铁磁---亚铁磁结(NiFe-NiCuZn铁氧体)应用于纳米传感器

首先，将NiFe、NiCuZn两种用于制备纳米结的材料制备成靶材，将靶材安装到溅射靶上，准备洁净的硅基片；

步骤2、将基片放入真空室基片架上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空；

步骤3、当真空度达到10^-4-10^-6Pa时，将基片对准NiFe靶，通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜NiFe。

步骤4、将基片对准NiCuZn靶，真空室恢复真空10^-4-10^-6Pa，通入氧气，气压范围为10^-3-10^-5Pa，再充入氩气至10^-5Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，制备厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜NiCuZn；

步骤5、之后采用热扩散方法或快速循环热扩散方法在NiFe、NiCuZn两种薄膜界面形成1-15nm的过渡区---称之为“纳米结”。如图1所示，A为NiFe、B为NiCuZn。

例三、铁磁一半导体结(NiFe-GaAs等)应用于纳米晶体管(纳米二极管，纳米三极管)；

首先，将NiFe、GaAs两种用于制备纳米结的材料制备成靶材，将靶材安装到溅射靶上，准备洁净的硅基片。

步骤2、将基片放入真空室基片架上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空。

步骤3、当真空度达到10^-4-10^-6Pa时，将基片对准NiFe靶，通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜NiFe。

步骤4、将基片对准GaAs靶，真空室恢复真空10^-4-10^-6Pa，通入氧气，气压范围为10^-3-10^-5Pa，再充入氩气至10^-5Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，制备厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜GaAs

步骤5、之后采用热扩散方法或快速循环热扩散方法在NiFe、GaAs两种薄膜界面形成1-15nm的过渡区---称之为“纳米结”。如图1所示，A为NiFe、B为GaAs。

例四、铁磁—稀释半导体结(NiFe---ZnO+MnO)应用于纳米晶体管(纳米二极管，纳米三极管)；

首先，将NiFe、ZnO+MnO两种用于制备纳米结的材料制备成靶材，将靶材安装到溅射靶上，准备洁净的硅基片。

步骤2、将基片放入真空室基片架上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空。

步骤3、当真空度达到10^-4-10^-6Pa时，将基片对准NiFe靶，通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频源，功率设为20w-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜NiFe。

步骤4、将基片对准稀释半导体结ZnO+MnO靶，真空室恢复真空10^-4-10^-6Pa，通入氧气，气压范围为10^-3-10^-5Pa，在充入氩气至10^-5Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，制备厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜稀释半导体结ZnO+MnO。

步骤5、之后采用热扩散方法或快速循环热扩散方法在NiFe、ZnO+MnO两种薄膜界面形成1-15nm的过渡区---称之为“纳米结”。如图1所示，A为NiFe、B为ZnO+MnO。

例五、亚铁磁一铁电体结(LaCaMnO₃--SrTiO₃)应用于场效应晶体管(纳米场效应管)；

首先，将LaCaMnO₃、SrTiO₃两种用于制备纳米结的材料制备成靶材，将靶材安装到溅射靶上，准备洁净的硅基片。

步骤2、将基片放入真空室基片架上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空。

步骤3、当真空度达到10^-4-10^-6Pa时，将基片对准LaCaMnO₃靶，通入氧气范围为10^-3-10^-5Pa，再通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜LaCaMnO₃。

步骤4、将基片对准SrTiO₃靶，真空室恢复真空10^-4-10^-6Pa，通入氧气范围为10^-3-10^-5Pa，在充入氩气至10^-5Pa，打开射频源，功率设为20W-500W，溅射速率1-8A/S率用石英晶体厚度仪控制，制备厚度范围为1---100nm范围的纳米薄膜SrTiO₃；

步骤5、之后采用热扩散方法或快速循环热扩散方法在LaCaMnO₃、SrTiO₃两种薄膜界面形成1-15nm的过渡区---称之为“纳米结”。如图1所示，A为LaCaMnO₃、B为SrTiO₃.

传统的半导体PN结的电压一电流特性曲线测试采用如图4所示的方法，它是通过改变PN结两端电压测其对应通过PN结的电流，得到PN结的电压电流曲线即V-I曲线。

由于按照本发明方法制备的纳米结的特性是以自旋电子在两种异质薄膜界面的输运为基础的，外部激励可以改变自旋电子在两种异质薄膜界面的输运特性，因此，测试该纳米结的电压一电流特性曲线，是通过加外部激励(如：电场、磁场、光场、超声、微波等场)，测其对应通过纳米结的电流，得到纳米结的电压电流曲线，即V-I曲线，如图4所示。

综上所述，按照本发明方法可以制备出具有通过不同的激励源(如：电场、磁场、光场、超声、微波等场)来控制载流子的纳米结器件、和通过控制电子的自旋向上、自旋向下来实现存储等优点的纳米结器件，该纳米结器件可广泛用于电子技术领域。

Claims (1)

1.一种制备纳米结的方法，其特征是它采用下面的步骤：

步骤1、将A、B两种用于制备纳米结的异质材料分别制备成靶材，将靶材安装到真空溅射设备的溅射靶(11)上，准备洁净的硅基片；

步骤2、将洁净的硅基片放入真空溅射设备的真空室基片架(8)上，关闭真空室；启动真空抽气系统，开始抽真空；

步骤3、当真空室的真空度达到10^-4-10^-6pa时，将基片架(8)对准靶A，若A为金属或金属合金，通氩气至气压为10^-1Pa；若A为氧化物，通入反应气体O₂，其分压强在10^-3-10^-5Pa之间，再通氩气至气压为10^-1pa，打开射频电源，功率设为20瓦～500瓦，溅射速率1～8埃/秒用石英晶体厚度仪控制，制备出厚度范围为1～100nm范围的纳米薄膜A；

步骤4、将基片架(8)对准靶B，若B为氧化物，通入反应气体O₂，其分压强在10^-3-10^-5Pa之间，再通氩气至气压为10^-1Pa；若B为GaAs或半导体，则通入N₂+O₂混合气体，其分压强在10^-3-10^-5Pa之间，再通氩气至气压为10^-1Pa；若B为金属或金属合金，通氩气至气压为10^-1Pa，打开射频电源，功率设为20瓦～500瓦，溅射速率1～8埃/秒用石英晶体厚度仪控制，制备厚度范围为1～100nm范围的纳米薄膜B；

步骤5、在A，B两种异质薄膜制成后，以起始晶化温度较低的材料的晶化温度为慢扩散方法的热处理温度或快速循环热扩散方法的保温温度，通过采用慢扩散方法，或采用快速循环热热扩散方法就可以在两种异质薄膜A、B的交界面形成1～15nm的过渡区，该过渡区称之为“纳米结”；

步骤6，此纳米结加金属电极后就可构成纳米二极管或纳米三极管。

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