CN101615634A - 单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
单晶锗锰铁磁半导体/锗磁性异质结二极管及其制备方法，属于信息技术自旋电子器件技术领域。异质结二极管的p型层为单晶Ge1－x Mnx铁磁半导体，锰的摩尔百分比含量x为：0＜x＜15％；Ge层为商业的本征的单晶半导体Ge或微量Sb掺杂的n型单晶半导体Ge，其室温下的整流特性可用磁场调控，磁电阻在Ge1－xMnx居里温度附近有极值，显示其输运与Ge1－xMnx磁性半导体密切相关，其制备工艺与硅半导体制备工艺相匹配。利用分子束外延在单晶锗衬底上通过共蒸发的方式外延生长锗锰磁性半导体制备单晶锗锰铁磁半导体/锗磁性异质结二极管。且本发明方法制备的单晶锗锰铁磁半导体/锗磁性异质结二极管可以与现代半导体硅工艺很好的匹配，因此在自旋电子器件方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管及其制备方法，属于信息技术自旋电子器件技术领域。
背景技术
现代电子科学和技术极大的改变了人们的工作和生活方式，无与伦比地推动了人类文明发展的进程，20世纪最伟大的成就之一就是微电子学及其应用。但是现在半导体硅(Si)工艺发展到纳米尺度，在进一步提高运算速率、减少功耗方面遇到了前所未有的挑战。基于已经获得广泛应用的硅半导体材料的磁性半导体一直是人们的第一选择，但是硅很容易与过渡族元素形成化合物，国际上经过大量的研发工作也未能得到所需要的稳定的高温硅基磁性半导体材料。为解决该难题，研究者们将希望寄托在具有强的自旋、电荷、以及轨道耦合的新型自旋电子学器件上，并深入开展了广泛的研究。与常规半导体器件相比，半导体自旋电子学器件的优点主要包括：1，更低的功耗；2，更高的集成度；3，更高的运算速率等等。氧化物以及钙钛矿结构的p-n结一度成为人们研究的热点。好的整流效应、大的磁电阻以及外场可调控的性能都已有文献报道(Tanaka，H.et al.Phys.Rev.Lett.88，027204(2002)；Sun，J.R.et al.Appl.Phys.Lett.86，053503(2005)；Mitra，C.et al.Phys.Rev.Lett.90，017202(2003).)。但是上述p-n结在应用方面有两个难题：1)不能与硅半导体工艺相匹配；2)磁电阻通常都只是在低温下存在，不能满足自旋电子器件实际应用的要求。
最近研究者对锗基磁性半导体的做了一些探索性的研究，因为一方面锗跟硅能较好的匹配，另一方面锗的载流子迁移率远大于硅，在高速运算器件方面有更大的优势。Jamet等人已发现Ge1-xMnn磁性半导体居里温度可以高达室温(Jamet，M.et al.Nat.Mater.5，653(2006))。但是，除我们的工作之外，目前为止还没有整流特性可用磁场调控的单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在室温下整流特性可用磁场大幅度调控的、与硅半导体工艺相匹配的单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管及其制备方法。
技术术语说明：
正向偏压：从p型Ge1-xMnx磁性半导体到Ge的电压。
正磁电阻：电阻随磁场的增大而增大。
磁性异质结：基于铁磁半导体和非磁半导体材料形成的异质结。
本发明的技术方案如下：
一种单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管，p型层为单晶Ge1-xMnx铁磁半导体，锰的摩尔百分比含量x为：0＜x＜15％；Ge层为商业的本征的单晶半导体Ge或微量Sb掺杂的n型单晶半导体Ge，其室温下的整流特性可用磁场调控，磁电阻在Ge1-xMnx居里温度附近有极值，显示其输运与Ge1-xMnx磁性半导体密切相关，其制备工艺与硅半导体制备工艺相匹配。
上述单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管的制备方法是用分子束外延法，具体方法如下：
1)将单晶锗衬底清洗后，连同掩模一同放入分子束外延生长室，控制生长室本底真空度不低于7.5×10-10mbar；
2)衬底在上述真空环境中，保持450℃退火1小时，去除Ge表面原有的氧化层；
3)将衬底温度降到70℃，同时打开高纯Ge和高纯Mn金属蒸发源，采用共蒸发的方式开始掺杂外延生长单晶Ge1-xMnx铁磁半导体，高纯Ge和高纯Mn的纯度在99.99％以上；
4)通过调整Ge和Mn的生长速率，控制样品中Mn的含量不高于15％，Ge1-xMnx铁磁半导体的生长速率为3～4
/min，Ge1-xMnx铁磁半导体的厚度通过溅射时间控制，其厚度在10～500nm之间，Ge1-xMnx铁磁半导体生长结束；
5)Ge1-xMnx铁磁半导体生长结束后，再在Ge1-xMnx铁磁半导体上生长2nm-10nm的Ge保护层，避免样品被氧化。
该系列Ge1-xMnx/Ge磁异质结具有很好的整流特性，在室温下整流特性可用磁场大幅度调控，而且整流特性不同的磁异质结还可以通过在制备过程中改变异质结界面处载流子的浓度来调控。
本发明电输运性质可调控的、具有室温巨磁电阻、与硅半导体工艺可匹配的单晶Ge1-xMnx/Ge磁异质结二极管，其本身可直接作为新型二极管应用，还可能在一些多功能器件，如自旋阀晶体管、无挥发记忆元件、超快开关等方面具有潜在的应用价值。
附图说明
图1(a)Ge0.95Mn0.05/Sb掺杂n型Ge磁异质结二极管、(b)Ge0.95Mn0.05/Ga掺杂p型Ge磁异质结二极管和(c)Ge0.95Mn0.05/本征Ge磁异质结二极管不同外磁场下的电流-电压曲线，测量温度200K。
图2是实施例Ge0.95Mn0.05/本征Ge磁异质结不同测量电流时磁电阻曲线，测量温度200K。
图3是实施例Ge0.95Mn0.05/本征Ge磁异质结+2V偏压6特斯拉外场下磁电阻大小随温度的变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例：
单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管，p型层为单晶Ge1-xMnx铁磁半导体，锰的摩尔百分比含量x为5％；衬底为商业的掺Sb的n型Ge(001)单晶衬底、未掺杂的Ge(001)单晶衬底以及掺Ga的p型Ge(001)单晶衬底。选择不同的衬底是希望二极管的电输运特性会随着不同衬底下载流子浓度不同而改变。
上述单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管的制备方法是用分子束外延结合掩模法，具体方法如下：
1)将单晶锗衬底按去离子水、酒精和去离子水的顺序分别超声清洗五分钟，其目的是为了去除衬底表面的灰尘、油污和Ge的部分氧化物；然后，连同掩模一同放入分子束外延生长室，生长室本底真空度不低于7.5×10-10mbar；
2)衬底在上述真空环境中，保持450℃退火1小时，去除Ge表面原有的氧化层；明晰的(2×1)重构的高能电子衍射图表明衬底表面比较平整，结晶质量比较好；
3)将衬底温度降到70℃，同时打开高纯Ge和高纯Mn金属蒸发源，采用共蒸发的方式开始掺杂外延生长单晶Ge1-xMnx铁磁半导体，高纯Ge和高纯Mn的纯度分别为99.999％和99.998％；
4)通过调整Ge和Mn的生长速率，控制样品中Mn的含量为5％，Ge0.95Mn0.05铁磁半导体的生长速率为3.5
/min，Ge0.95Mn0.05铁磁半导体的溅射时间为2.4小时，其厚度为50nm；
5)Ge0.95Mn0.05铁磁半导体生长结束后，再在Ge0.95Mn0.05上生长2nm的Ge保护层，避免样品被氧化。
图1给出了实施例中p型Ge0.95Mn0.05铁磁半导体在不同Ge衬底上形成磁性异质结二极管200K、不同外磁场下的I-V曲线。图1(a)中还给出了样品结构的示意图。可以看出Ge0.95Mn0.05/Ge磁异质结都具有很好的整流特性。图1(c)显示p型Ge0.95Mn0.05铁磁半导体与本征锗形成的Ge0.95Mn0.05/本征Ge磁异质结电阻随外磁场的增大迅速增大，即有明显的正磁电阻效应。
图2进一步给出了Ge0.95Mn0.05/本征Ge磁异质结二极管200K下不同测量电流时磁电阻曲线，可以看出测量电流越大，磁电阻越大。
图3给出Ge0.95Mn0.05/本征Ge磁异质结+2V偏压6特斯拉外场下磁电阻大小随温度的变化曲线。结果表明该磁异质结在室温下仍有440％的磁电阻，使得其可以在室温自旋电子器件方面得到应用。而且，磁电阻在Ge0.95Mn0.05居里温度225K附近有极大值，表明输运与Ge0.95Mn0.05磁性半导体有密切的关联。
Claims (2)
1、一种单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管，其特征在于，p型层为单晶Ge1-xMnx铁磁半导体，锰的摩尔百分比含量x为：0＜x＜15％；Ge层为商业的本征的单晶半导体Ge或微量Sb掺杂的n型单晶半导体Ge，其室温下的整流特性可用磁场调控，磁电阻在Ge1-xMnx居里温度附近有极值，显示其输运与Ge1-xMnx磁性半导体密切相关，其制备工艺与硅半导体制备工艺相匹配。
2、权利要求1所述的单晶锗锰磁性半导体/锗磁性异质结二极管的制备方法，其特征在于，用分子束外延结合掩模法、光刻法或电子束刻蚀工艺制备，具体方法如下：
1)将单晶锗衬底清洗后，连同掩模一同放入分子束外延生长室，控制生长室本底真空度不低于7.5×10-10mbar；
2)衬底在上述真空环境中，保持450℃退火1小时，去除Ge表面原有的氧化层；
3)将衬底温度降到70℃，同时打开高纯Ge和高纯Mn金属蒸发源，采用共蒸发的方式开始掺杂外延生长单晶Ge1-xMnx铁磁半导体，高纯Ge和高纯Mn的纯度在99.99％以上；
4)通过调整Ge和Mn的生长速率，控制样品中Mn的含量不高于15％，Ge1-xMnx铁磁半导体的生长速率为3～
Ge1-xMnx铁磁半导体的厚度通过溅射时间控制，其厚度在10～500nm之间，Ge1-xMnx铁磁半导体生长结束；
5)Ge1-xMnx铁磁半导体生长结束后，再在Ge1-xMnx铁磁半导体上生长2nm-10nm的Ge保护层，避免样品被氧化。
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