CN100435281C - 制备GaN基稀磁半导体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备GaN基稀磁半导体材料的方法，属于自旋电子学领域。该方法在利用金属有机化合物气相外延方法(MOCVD)生长GaN的过程中，突然停止通入镓源；即停止生长GaN，转而通入过渡金属有机源，生长过渡元素掺杂薄层后，再切换通入镓源，生长GaN层，如此循环得到GaN基磁半导体薄膜材料。通过本发明可以获得高质量、具有室温GaN基磁性半导体薄膜材料，可直接应用到利用MOCVD生长GaN基自旋光电材料和器件中。
Description
技术领域
本发明属于自旋电子学领域，特别涉及到GaN基的磁性半导体材料，提出了一种获得GaN基稀磁半导体材料的方法。
背景技术
自1988年巨磁阻效应发现以来，电子自旋引起了人们极大关注，由此形成了称为自旋电子学的新的研究领域，在世界范用内研究十分活跃。而其中的半导体自旋电子学尤其受到重视。与传统的半导体器件相比，自旋半导体器件具有稳定性好、数据处理速度更快、功率损耗更低以及集成密度更高等优点，在超高密度数据存储、半导体光电器件以及固体量子信息处理等方面有着广泛的应用前景，其发展依赖于发展出能在其中对自旋进行控制的磁性半导体材料。
在半导体自旋电子学的研究领域中，寻找具有高居里温度(不低于室温)的稀磁半导体材料一直是人们关注的焦点。理论和实验均表明，基于传统半导体(如GaAs)的稀磁半导体的居里温度远低于室温，因而最终不可能得到广泛应用。而理论表明，GaN基的稀磁半导体材料可望具有不低于室温的居里温度，因而已成为半导体自旋电子学领域中的研究热点，实验上也通过热扩散、离子注入以及分子束外延(MBE)等方法得到了具有高居里温度的GaN基稀磁半导体材料，但这些制备方法都不属于高温外延生长，最终的材料都是在远离热平衡状态下形成的，因而通过这些方法得到的材料的结构质量和性能都可望进一步提高。
GaN基稀磁半导体材料的最终应用依赖于其质量的进一步提高，而材料质量进一步提高的途径之一是使得材料的生长过程更接近于热平衡状态——高温外延生长。金属有机化合物气相外延(MOCVD)是高温外延生长GaN材料及器件最主要的方法，因此，利用MOCVD生长出具有高品质、高居里温度的稀磁半导材料，无论是对其本身的基础研究还是对该材料的进一步应用都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于利用MOCVD通过delta掺杂方式高温外延生长出高质量的GaN基稀磁半导体材料。结合MOCVD生长GaN材料及器件的成熟的工业基础，可将来直接应用到利用MOCVD生长GaN基自旋光电材料和器件中。
根据本发明生长GaN基稀磁半导体材料的具体方法和步骤如下：
1.将衬底放入反应室内，在载气气氛下加热衬底到高温(1100℃以上)保持一段时间(2-60分钟)，保证衬底表面干净。
2.将温度降到低温(500℃-600℃)，然后通入氨气一段时间，使得衬底表面氮化，接着通入镓源，生长一薄层GaN作为缓冲层。
3.将温度升到高温(950℃-1100℃)，在此温度下保持一段时间(30秒-30分钟)，然后通入镓源生长一层厚度为d(1纳米-100纳米)的GaN，再停止通入镓源，紧接着通入过渡金属有机源时间t(1秒-1分钟)后停止，到此为delta掺杂的一个生长周期；一个周期中的d和时间t均可根据具体需要而独立改变，周期的个数也可自由改变。生长过程中分别采用氨气作为氮源，三甲基镓(TMGa)作为镓源。
本发明可用于在不同衬底上生长掺不同过渡元素的GaN基稀磁半导体材料。
本发明的过渡金属有机源还可为金属有机铬源、金属有机锰源、金属有机铁源、金属有机钴源等金属有机源。
本发明利用MOCVD通过delta掺杂方式高温(950℃-1100℃)外延生长高质量的GaN基稀磁半导体材料，得到的样品呈深红褐色，Mn含量可高达百分之几。参考图3、图4和图5，高分辨X射线相分析显示样品中没有杂相(如氮锰化合物或镓锰化合物)形成，同步辐射扩展X射线吸收精细结构分析(EXAFS)显示样品中Mn原子替代了Ga位，说明通过本方法确实得到了均匀的Ga1-xMnxN。超导量子干涉仪磁强计测量显示通过本方法得到的样品在室温下为铁磁性。可以相信，在本发明的基础上，可以通过进一步优化生长条件，得到具有结构和性能更好的Ga1-xMnxN样品，同样也可以通过改变过渡金属有机源以及生长衬底，在不同衬底上生长出高质量的掺入其它过渡元素的GaN基稀磁半导体材料，如Ga1-xFexN，Ga1-xCrxN等等。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为有机Mn源(TCMn)的饱和蒸汽压和温度的关系曲线；
图2为Delta掺入Mn的生长模式示意图；
图3为样品的高分辨X射线相分析图，表明样品中没有出现杂相；
图4为同步辐射扩展X射线吸收精细结构分析图，吸收边前的吸收小峰表明样品中Mn原子替代了Ga位；
图5为样品的室温(300K)磁滞回线，其中插图为380K时样品的磁滞回线，表明样品在380K的温度下为铁磁性。
具体实施方式
下面具体以在蓝宝石(Al2O3)衬底上通过delta掺杂方式生长GaN:Mn材料列举几个更为详细的实施例，其中以有机源TCMn为锰源，附图1为TCMn的饱和蒸汽压和温度的关系曲线。
实施例一的技术方案：
1.将衬底放入反应室内，在氢气气氛下加热衬底到1150℃保持一段时间10分钟。
2.将温度降到550℃，然后通入氨气一段时间，使得衬底表面氮化，接着通入镓源，生长一层厚约25纳米的GaN作为缓冲层。
3.将温度升到高温1090℃，在此温度下保持一段时间5分钟，然后通入镓源生长-层厚度为20纳米的GaN，再停止通入镓源，紧接着通入锰源时间5秒后停止，然后再通入镓源生长GaN，到此为delta掺杂的一个生长周期，重复生长30个周期。
实施例二的技术方案：
1.将衬底放入反应室内，在氢气气氛下加热衬底到1170℃保持一段时间8分钟。
2.将温度降到580℃，然后通入氨气一段时间，使得衬底表面氮化，接着通入镓源，生长一层厚约25纳米的GaN作为缓冲层。
3.将温度升到高温970℃，在此温度下保持一段时间10分钟，然后通入镓源生长一层厚度为10纳米的GaN，再停止通入镓源，紧接着通入锰源时间10秒后停止，然后再通入镓源生长GaN，到此为delta掺杂的一个生长周期，重复生长50个周期。
实施例三的技术方案：
1.将衬底放入反应室内，在氢气气氛下加热衬底到1100℃保持一段时间20分钟。
2.将温度降到530℃，然后通入氨气一段时间，使得衬底表面氮化，接着通入镓源，生长一层厚约25纳米的GaN作为缓冲层。
3.将温度升到高温1030℃，在此温度下保持一段时间7分钟，然后通入镓源生长一层厚度为15纳米的GaN，再停止通入镓源，紧接着通入锰源时间15秒后停止，然后再通入镓源生长GaN，到此为delta掺杂的一个生长周期，重复生长80个周期。
上述三个实施例只是本发明的举例，但依照本发明的原理，还可衍生出其他各种在MOCVD系统中生长GaN基稀磁半导体材料的不同方案：包括改变过渡金属有机源(如二茂铁CP2Fe，二茂铬CP2Cr，二茂钴CP2Co等等)生长掺入其它过渡金属元素的材料，如：Ga1-xFexN、Ga1-xCoxN、Ga1-xCrxN等等，以及在此基础上两种或多种元素合掺等等；另外也包括在不同衬底(如SiC等等)上生长，变温生长稀磁半导体材料等等。
Claims (4)
1、一种制备GaN基稀磁半导体材料的方法，具体步骤如下：
利用金属有机化合物气相外延方法生长GaN基稀磁半导体材料，首先将衬底放入反应室内，保证衬底表面干净，在生长GaN基稀磁半导体材料前，衬底需生长一GaN缓冲层，在生长GaN的过程中，突然停止通入镓源；即停止生长GaN，转而通入过渡金属有机源，生长掺杂过渡元素薄层，然后再切换通入镓源，生长GaN层，如此循环得到GaN基稀磁半导体材料；
在生长GaN基稀磁半导体材料中，每个周期的GaN层厚度为1nm-100nm，每个周期通入过渡金属有机源时间为1秒-1分钟。
2、如权利要求1所述的制备GaN基稀磁半导体材料的方法，其特征在于：在生长GaN材料前，衬底需生长一GaN缓冲层，具体步骤如下：
将衬底放入反应室内，在载气气氛下加热衬底到1100℃以上，保持2-60分钟，保证衬底表面干净；
将温度降到500℃-600℃，然后通入氨气一段时间，使得衬底表面氮化，接着通入镓源，生长一25纳米厚的GaN作为缓冲层。
3、如权利要求2所述的制备GaN基稀磁半导体材料的方法，其特征在于：衬底生长一GaN缓冲层后，将温度升到950℃-1100℃，在该温度状态下保持30秒-30分钟，然后通入镓源生长GaN。
4、如权利要求1或2所述的制备GaN稀磁半导体材料的方法，其特征在于：过渡金属有机源为金属有机铬源、金属有机锰源、金属有机铁源或金属有机钴源。
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Owner name: DONGGUAN INSTITUTE OF OPTO-ELECTRONICS PEKING UNIV Free format text: FORMER OWNER: BEIJING UNIV. Effective date: 20131202 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100871 HAIDIAN, BEIJING TO: 523808 DONGGUAN, GUANGDONG PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131202 Address after: 523808 Guangdong province Dongguan Songshan Lake high tech Industrial Development Zone Technology Park Building 4 Building 417, room 418 Patentee after: DONGGUAN INSTITUTE OF OPTO-ELECTRONICS PEKING University Address before: 100871 Beijing the Summer Palace Road, Haidian District, No. 5 Patentee before: Peking University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081119 Termination date: 20220117 |