CN101483219A - Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的Co－Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜，其Co的摩尔百分含量为2≤x≤10％，Ga的摩尔百分含量为1≤x≤3％。采用脉冲激光沉积法制备，以纯ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末混合烧结的陶瓷片为靶材，将衬底清洗后放入脉冲激光沉积装置生长室中，生长室抽至本底真空小于8.0×10^－4Pa，在压强为2～15Pa的O₂气氛下生长，温度为350～700℃。本发明制备方法简单，n型掺杂载流子浓度可以达到5.0×10¹⁹～5.0×10²⁰cm^－3，并且同时具有室温铁磁性能。

Description

Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高载流子浓度n型并且具有室温铁磁性能的ZnO基稀磁半导体薄膜制备方法。

背景技术

稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors-DMS)是在半导体材料中通过掺杂引入磁性离子，使磁性离子部分地取代半导体中的非磁性阳离子，形成同时具有电子电荷和自旋双重性质的一种材料，可以用来制备各种超低能量消耗高密度的信息存储器、逻辑器和自旋偏振光发射器等集成了光、电、磁功能的新型器件。稀磁半导体是具有自旋极化的半导体，通常稀磁半导体的制备是采用少量3d过渡族元素掺入到半导体材料中使之产生铁磁性，而同时保持其半导体特性。

ZnO基DMS材料的研究目前还处于基础研究阶段，如要应用则必须同时解决高载流子浓度与室温铁磁性的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、成本低廉的Co-Ga共掺杂生长高载流子浓度的n型，并且具有室温铁磁性能的ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法。

本发明的Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜，其Co的摩尔百分含量为2≤x≤10％，Ga的摩尔百分含量为1≤x≤3％。

Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)称量纯ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末，其中Co的摩尔百分含量为2≤x≤10％，Ga的摩尔百分含量为1≤x≤3％。将上述粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得Zn(Co，Ga)O陶瓷靶；

2)将步骤1)制得的陶瓷靶和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，保持靶材与衬底之间的距离为4～6cm，生长室真空度抽至小于8.0×10^-4Pa，衬底加热升温到350～700℃，生长室通入O₂气体，控制压强为2～15Pa，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，沉积在衬底上，得到Co-Ga共掺杂生长n型ZnO基稀磁半导体薄膜，然后在50Pa氧气氛下冷却至室温。

上述的衬底可以是硅或蓝宝石或氧化锌或石英或玻璃。

本发明的优点是：

1)采用激光脉冲沉积技术生长，工艺成熟，操作简单，易于实现；

2)Co-Ga共掺ZnO薄膜同时具有高载流子浓度(5.0×10¹⁹～5.0×10²0cm^-3)和室温铁磁性。

附图说明

图1是根据本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图。图中1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底；

图2是本发明制备的Zn(Co，Ga)O薄膜的室温铁磁性测量结果。

具体实施方式

以下结合具体实例进一步说明本发明。

实施例1

1)陶瓷靶的制备。称量纯ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末，其中Co的摩尔百分含量为2％，Ga的摩尔百分含量为3％，把称量好的ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中，在球磨机上球磨24小时，使ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末混合均匀并细化。然后将原料分离出来并烘干，添加粘结剂研磨，压制成型。把成型的胚体放入烧结炉中，先在800℃保温2小时，使粘结剂挥发，再升温至1250℃烧结2小时，得到Zn(Co，Ga)O陶瓷靶。

2)以2英寸石英抛光片作为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积系统的生长室中，生长室真空度抽至小于8.0×10^-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至350℃，输入氧气，氧压调至10Pa，衬底与靶材间距4.5cm。开启激光器(脉冲激光能量为340mJ，频率5Hz)，预沉积5min，除去靶材表面的玷污，然后旋开挡板，沉积薄膜。沉积过程中衬底和靶材低速旋转，以改善薄膜的均匀性，沉积时间为30min。在此条件下沉积一层约500nm的Co-Ga共掺的ZnO稀磁半导体薄膜，在50Pa氧气氛下以5℃/min的速度降温冷却至室温。本例制得Co-Ga共掺的ZnO稀磁半导体薄膜具有高载流子浓度(见表1)和室温铁磁性(见图2)。

表1是Co-Ga共掺杂制备的ZnO薄膜和单独Co掺杂的ZnO薄膜的电学性能比较(A：ZnCoO薄膜，B：Zn(Co，Ga)O薄膜)，由表可见Co-Ga共掺杂ZnO薄膜具有更高的载流子浓度；

实施例2

靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1，其中Co的摩尔百分含量为10％，Ga的摩尔百分含量为3％，同样获得制得Co-Ga共掺的ZnO稀磁半导体薄膜具有高载流子浓度和室温铁磁性。

实施例3

靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1，区别在于衬底为蓝宝石，且衬底温度升至700℃，同样获得制得Co-Ga共掺的ZnO稀磁半导体薄膜具有高载流子浓度和室温铁磁性。

实施例4

靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1，其中Co的摩尔百分含量为5％，Ga的摩尔百分含量为2％，同样获得制得Co-Ga共掺的ZnO稀磁半导体薄膜具有高载流子浓度和室温铁磁性。

Claims (3)

1.Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜，其特征是该薄膜中Co的摩尔百分含量为2≤x≤10％，Ga的摩尔百分含量为1≤x≤3％。

2.根据权利要求1所述的Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)称量纯ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末，其中Co的摩尔百分含量为2≤x≤10％，Ga的摩尔百分含量为1≤x≤3％。将上述粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得Zn(Co，Ga)O陶瓷靶；

2)将步骤1)制得的陶瓷靶和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，保持靶材与衬底之间的距离为4～6cm，生长室真空度抽至小于8.0×10^-4Pa，衬底加热升温到350～700℃，生长室通入O₂气体，控制压强为2～15Pa，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，沉积在衬底上，得到Co-Ga共掺杂生长n型ZnO基稀磁半导体薄膜，然后在50Pa氧气氛下冷却至室温。

3.根据权利要求2所述的Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜的制备方法，其特征在于所说的衬底是硅或蓝宝石或氧化锌或石英或玻璃。

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