CN101899706B - 采用MOCVD制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法，该方法采用金属有机化合物气相外延工艺，具体步骤如下：选择一衬底；在该衬底上生长一层非极性GaN薄膜；以及在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料。利用本发明，能够获得具有高居里温度(Tc)的高质量单晶相非极性GaN基稀磁半导体薄膜材料。此外，非极性GaN基稀磁半导体薄膜材料具有独特的面内各向异性分布特性(结构、光学、电学和磁学性质)，这些性质无论对基础研究还是应用研究都具有重大意义，本发明将开辟GaN基稀磁半导体研究的新领域。
Description
技术领域
本发明涉及非极性GaN基稀磁半导体材料制备技术领域，尤其涉及一种采用金属有机化合物气相外延(MOCVD)工艺制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法。
背景技术
近年来，稀磁半导体材料和基于它的自旋电子器件受到研究者的广泛关注，已经成为各国竞相开展研究的热点领域。稀磁半导体将材料的半导体性能和磁学性能融于一体，有望在磁电、磁光和磁光电等领域研制出具有速度快、功耗低、集成度高和非易失性等特点的新型多功能自旋电子器件。在量子计算、量子通讯等现代信息技术领域具有广阔的应用前景。
当前稀磁半导体材料研究工作的重点是寻找能在室温下实现对载流子(电子或空穴)的自旋注入、输运、控制和检测，并能与现有半导体器件制造工艺相兼容的新型稀磁半导体材料，这对研制实用化的自旋电子器件具有至关重要的意义。
因此，稀磁半导体材料的铁磁性转变温度(居里温度Tc)高于室温就成为了一个必要条件。最近的理论和实验研究表明：掺杂过渡族金属元素或稀土元素的GaN基材料最有希望获得室温以上铁磁性，并已经取得了令人瞩目的研究成果。
迄今为止，GaN基稀磁半导体都是沿c轴生长的极性面材料。最近，非极性面GaN材料由于可以显著改善光电器件性能而备受研究者关注。已经有相关研究表明，由于表面原子结构、成键能的差异，p-型掺杂元素Mg和过渡族金属元素(如Fe、Cr、Mn、Co等)在非极性GaN材料中的掺杂效率比普通c面GaN材料相应的高出许多。同时理论计算表明，高的空穴浓度和高的Mn固溶度有利于提高GaN:Mn材料的居里温度和铁磁性质，所以我们认为非极性的GaN:Mn有望获得比极性GaN:Mn更为优越的铁磁性质。
此外，由于极性晶向[0001]包含在GaN非极性面内，引起GaN非极性面的结构特性、电学特性、光学特性的各向异性现象，其中有许多已经在器件方面得到了应用。非极性GaN:Mn系统是材料科学的一个全新领域，它既具有非极性GaN系统独特的特性，又引入了一些独特的磁学性质，这些磁学性质(如磁学性质的各向异性)，是极性GaN:Mn系统所不具有的。非极性GaN:Mn系统铁磁性质的这种各向异性分布，有助于人们对影响稀磁半导体铁磁性的因素进行全面分析，从而揭示至今仍有很大争议的稀磁半导体铁磁性的起源问题。此外，通过对非极性GaN:Mn这个全新系统的研究，有可能研发出新型的光电器件和自旋电子器件，并可能在这些领域有所突破。
目前，我们已经采用离子注入后退火技术制备出具有高居里温度的非极性GaN:Mn薄膜。但是采用这种技术不可避免的会对GaN晶格造成损伤，从而影响我们对非极性GaN:Mn这个全新系统独特的电学、光学和磁学性质进行系统研究。
因此，采用MOCVD技术生长高质量单晶相GaN:Mn薄膜的方法，并深入研究非极性GaN:Mn材料的新现象和新规律具有重大的科学和理论意义，它将开辟GaN基稀磁半导体研究的新领域。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法，以获得具有高居里温度(Tc)的高质量单晶相非极性GaN基稀磁半导体薄膜材料。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供了一种制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法，该方法采用金属有机化合物气相外延工艺，具体步骤如下：
选择一衬底；
在该衬底上生长一层非极性GaN薄膜；以及
在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料。
上述方案中，所述衬底为r面蓝宝石衬底。
上述方案中，所述非极性GaN薄膜用于作为过渡层，所述在衬底上生长一层非极性GaN薄膜包括：
将衬底放入金属有机化合物气相外延的反应室内，在氢气气氛下加热衬底到1000℃～1100℃并保持至少10分钟，以净化衬底表面；
将该反应室内的压强调节到40Torr～100Torr，温度保持在1000℃～1100℃之间，在衬底上生长一层非极性GaN薄膜，该非极性GaN薄膜作为过渡层。
上述方案中，所述非极性GaN薄膜的厚度为0.5μm～2μm。
上述方案中，所述在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料，其生长温度介于1000℃～1100℃之间，压强介于40Torr～100Torr之间。
上述方案中，所述非极性GaN基稀磁半导体材料的厚度为0.2μm～2μm。
上述方案中，所述生长非极性GaN薄膜和非极性GaN基稀磁半导体材料时，采用的金属有机源为金属有机铁源、金属有机铬源、金属有机锰源，或者金属有机铁源、金属有机铬源和金属有机锰源中一种或多种的共掺。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法，采用MOCVD方法生长高质量单晶相的非极性GaN基稀磁半导体材料，将稀磁半导体和非极性GaN的优点溶为一体，能够获得具有高居里温度(Tc)的高质量单晶相非极性GaN基稀磁半导体薄膜材料。
此外，结合MOCVD生长GaN基材料及器件的成熟工艺基础，可以将这种技术直接应用到MOCVD生长GaN基自旋光电材料和器件的领域中。
附图说明
图1是本发明提供的制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法流程图；
图2是采用本发明制备的非极性GaN基稀磁半导体材料的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种采用MOCVD生长非极性GaN基稀磁半导体材料的方法，其具体的生长模式如图1所示，具体包括：首先选择一衬底；然后在该衬底上生长一层非极性GaN薄膜；以及在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料。
其中，衬底可以选用r面蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底或GaN衬底。所述非极性GaN薄膜用于作为过渡层，所述在衬底上生长一层非极性GaN薄膜包括：将衬底放入金属有机化合物气相外延的反应室内，在氢气气氛下加热衬底到1000℃～1100℃并保持至少10分钟，以净化衬底表面；将该反应室内的压强调节到40Torr～100Torr，温度保持在1000℃～1100℃之间，在衬底上生长一层非极性GaN薄膜，该非极性GaN薄膜作为过渡层，其厚度为0.5μm～2μm。
在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料，其生长温度介于1000℃～1100℃之间，压强介于40Torr～100Torr之间，非极性GaN基稀磁半导体材料的厚度为0.2μm～2μm。
在生长非极性GaN薄膜和非极性GaN基稀磁半导体材料时，采用的金属有机源为金属有机铁源、金属有机铬源、金属有机锰源，或者金属有机铁源、金属有机铬源和金属有机锰源中一种或多种的共掺。
下面以在r面蓝宝石衬底上采用MOCVD方法生长非极性GaN:Mn稀磁半导体材料为例来详细说明其制备过程。
步骤1：将r面蓝宝石衬底放入MOCVD反应室内，在氢气气氛中加热处理大约10分钟，以净化衬底表面。
步骤2：调节生长条件，在r面蓝宝石上生长一层AlN薄膜，作为生长高质量非极性GaN过渡层的缓冲层。
步骤3：调节生长条件，在缓冲层的基础上生长高质量的非极性GaN薄膜作为过渡层。
步骤4：调节生长条件，在过渡层基础上生长高质量单晶相非极性GaN基稀磁半导体材料，最终形成的非极性GaN；Mn稀磁半导体薄膜如图1所示。
以上实施例仅是本发明的举例而已，依照本发明的原理，还可以采用其它在MOCVD系统中生长非极性GaN基稀磁薄膜材料的技术方案。例如：在不同的衬底上生长(如Si、SiC、GaN衬底等)；改变金属有机源(如有机Fe、Cr、Co、V、Eu、Dy、Tb等)；以及在此基础上两种或多种金属有机源的共掺等。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种制备非极性GaN基稀磁半导体材料的方法，其特征在于，该方法采用金属有机化合物气相外延工艺，具体步骤如下：
选择一衬底，该衬底为r面蓝宝石衬底；
在该衬底上生长一层非极性GaN薄膜；以及
在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料；
其中，所述非极性GaN薄膜用于作为过渡层，所述在衬底上生长一层非极性GaN薄膜包括：将衬底放入金属有机化合物气相外延的反应室内，在氢气气氛下加热衬底到1000℃～1100℃并保持至少10分钟，以净化衬底表面；将该反应室内的压强调节到40Torr～100Torr，温度保持在1000℃～1100℃之间，在衬底上生长一层厚度为0.5μm～2μm的非极性GaN薄膜，该非极性GaN薄膜作为过渡层；
所述在该非极性GaN薄膜上生长非极性GaN基稀磁半导体材料，其生长温度介于1000℃～1100℃之间，压强介于40Torr～100Torr之间，该非极性GaN基稀磁半导体材料的厚度为0.2μm～2μm；
在生长非极性GaN薄膜和非极性GaN基稀磁半导体材料时，采用的金属有机源为金属有机铁源、金属有机铬源、金属有机锰源，或者金属有机铁源、金属有机铬源和金属有机锰源中一种或多种的共掺。
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