CN108085744A - 一种制备p型锰掺杂的砷化铟单晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，该方法在砷化铟单晶片的上下表面沉积一层具有一定厚度的锰薄膜作为扩散源，在砷的气氛中进行高温长时间热处理，使锰原子扩散到砷化铟材料内，并激活为有效受主，最后以适当的方法去除残留的扩散源，从而得到P型锰掺杂的砷化铟单晶。利用本发明，可以得到P型重掺的Mn‑InAs单晶，从而解决传统直拉法难以生长高掺杂浓度的Mn‑InAs单晶的难题，促进新型器件的研发与应用。

Description

一种制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法
技术领域
本发明涉及微电子和光电子用化合物半导体材料制备技术领域，具体涉及一种制备P型锰(Mn)掺杂的砷化铟(InAs)单晶的方法。
背景技术
将磁性原子掺杂到半导体中，利用半导体中载流子与磁性离子sp-d交换作用形成局域磁场可以制成稀磁半导体，这种半导体同时具有Zeeman效应、磁阻效应和半导体的能带结构的特点，从而成为制作自旋电子器件的理想材料。二价的Mn离子与InAs半导体相结合可以将磁性引入到半导体中，同时又可以实现P型掺杂增加空穴浓度。
目前，Mn掺杂的InAs单晶主要是在生长过程中进行掺杂，例如液封直拉法(LEC)生长的Mn掺杂的InAs单晶就是以InAs多晶和Mn单质作为原材料进行生长的，根据材料的配比对掺杂浓度进行控制。但是，LEC法生长高掺杂浓度的InAs单晶时需要更大的过冷度，而且高浓度杂质会引入多个成核中心，促进多晶的形成，从而使单晶生长变得很困难，限制了新型器件的研发与应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，以解决传统直拉法难以生长重掺杂InAs单晶的难题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，该方法包括：
步骤1：选取N型砷化铟单晶片作为衬底，对该衬底进行双面化学机械抛光，双面清洗并吹干；
步骤2：在N型砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜；
步骤3：将石英管和封泡用王水浸泡，采用去离子水冲洗干净并烘干，将具有锰薄膜的砷化铟晶片和适量砷放入石英管，用氢氧焰烧结封泡封口；
步骤4：对石英管进行高温长时热处理，该热处理是在砷气氛下进行，使石英管内锰掺杂进入N型砷化铟单晶片，得到锰掺杂的砷化铟单晶片；
步骤5：待温度降到室温，取出锰掺杂的砷化铟单晶片；
步骤6：对锰掺杂的砷化铟单晶片的上下表面进行化学机械抛光，去除表面的氧化物和残留杂质原子；
步骤7：对锰掺杂的砷化铟单晶片表面进行腐蚀清洗，然后吹干，得到P型锰掺杂的砷化铟单晶。
上述方案中，步骤1中清洗采用腐蚀清洗，吹干采用氮气吹干。
上述方案中，步骤2中所述沉积为热蒸发法，电子束蒸发法、溅射法或分子束外延法。
上述方案中，步骤2中所述在N型砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜，是采用锰的单质或者砷与锰的化合物作为沉积源或溅射源。
上述方案中，步骤2中所述在砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜，锰薄膜的厚度为0.1-1μm。
上述方案中，步骤3中所述适量砷，系使步骤4中热处理在砷气氛下进行；所述用氢氧焰烧结封泡封口后，石英管内真空度小于1×10-3Pa。
上述方案中，步骤4中所述热处理温度为700～900℃，时间为80～120小时。
上述方案中，步骤6中所述去除表面的氧化物和残留杂质原子，采用的腐蚀液为盐酸、硫酸和氢氟酸中的一种或两种以上混合。
上述方案中，步骤7中所述对锰掺杂的砷化铟单晶片表面进行腐蚀清洗，采用的清洗液为乙醇、丙酮和乙醚中的一种或几种。
(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：
1、本发明提供的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，是将适量的锰的掺杂源以适当的方法预沉积在砷化铟单晶的表面，然后通过在一定温度下的热处理，使砷化铟单晶表面的锰原子均匀扩散到砷化铟材料中，并激活为有效受主，从而得到重掺P型锰掺杂的砷化铟单晶，解决了传统直拉法难以生长重掺杂InAs单晶的难题。
2、本发明提供的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，能在砷化铟单晶材料生长完成后实现掺杂，并且所需的设备和工艺过程比较简单，掺杂的可控性比较高。
3、本发明提供的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，采用的锰掺杂技术，可以实现重掺杂锰的砷化铟单晶材料的制备，进而研制处传统掺杂技术无法制备出的砷化铟基新型器件。
附图说明
图1是本发明提供的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法流程图。
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。
本发明提供的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，是将适量的锰的掺杂源以适当的方法预沉积在砷化铟单晶的表面，然后通过在一定温度下的热处理，使砷化铟单晶表面的锰原子均匀扩散到砷化铟材料中，并激活为有效受主，从而得到重掺P型锰掺杂的砷化铟单晶。
如图1所示，图1是本发明提供的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：选取N型砷化铟单晶片作为衬底，对该衬底进行双面化学机械抛光，双面清洗并吹干；其中清洗采用腐蚀清洗，吹干采用氮气吹干。
步骤2：在N型砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜；其中，在N型砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜，是采用锰的单质或者砷与锰的化合物作为沉积源；锰薄膜的厚度为0.1-1μm；所述沉积可以为热蒸发法，电子束蒸发法、溅射法或分子束外延法。
步骤3：将石英管和封泡用王水浸泡，采用去离子水冲洗干净并烘干，将具有锰薄膜的砷化铟晶片和适量砷放入石英管，用氢氧焰烧结封泡封口；其中，适量砷是使步骤4中热处理在砷气氛下进行，在本实施例中砷的质量可以为0.4g，具体砷的质量与石英管大小有关，其质量可由管内外气压平衡计算所得；用氢氧焰烧结封泡封口后，石英管内真空度小于1×10-3pa。
步骤4：对石英管进行高温长时热处理，该热处理是在砷气氛下进行，使砷化铟单晶片表面锰薄膜中的锰原子扩散到砷化铟单晶片中，并激活为有效受主，得到锰掺杂的砷化铟单晶片；热处理温度为700～900℃，时间为80～120小时。
步骤5：待温度降到室温，取出锰掺杂的砷化铟单晶片。
步骤6：对锰掺杂的砷化铟单晶片的上下表面进行化学机械抛光，去除表面的氧化物和残留杂质原子；其中，去除表面的氧化物和残留杂质原子，采用的腐蚀液为盐酸、硫酸和氢氟酸中的一种或两种以上混合。
步骤7：对锰掺杂的砷化铟单晶片表面进行腐蚀清洗，然后吹干，得到P型锰掺杂的砷化铟单晶；其中，对锰掺杂的砷化铟单晶片表面进行腐蚀清洗，采用的清洗液为乙醇、丙酮和乙醚中的一种或几种。
实施例
本实施例提供了一种制备P型重掺锰的砷化铟单晶的方法，包括以下工艺步骤：
1、所选砷化铟材料是液封直拉法生长的(100)晶向的、非掺的N型InAs单晶，大小为2cm×2cm×0.5cm，双面化学机械抛光，清洗并氮气吹干后备用；
2、采用离子溅射镀膜的方法以单质Mn作为溅射靶材，在InAs单晶片的上下表面溅射沉积一层Mn薄膜，溅射条件为：真空度1.3×10-4pa，功率0.25×350W，Ar气流0.5～0.49Pa，溅射时间40分钟，Mn薄膜的厚度为0.8μm；
3、准备石英管和封泡，用王水浸泡2小时后用去离子水将其冲洗干净，烘干后将沉积了Mn薄层的InAs晶片和适量As放入石英管，抽真空至真空度小于1×10-3Pa后用氢氧焰烧结封泡封口；
4、将上述石英管放入管式炉内进行高温长时热处理，使InAs单晶片表面Mn薄膜中的Mn原子扩散到InAs单晶片中，并激活为有效受主，得到Mn掺杂的InAs单晶片；热处理温度为800℃，处理时间为100小时；
5、扩散完毕后，待温度降到室温，缓慢取出石英管，使用切割机将石英管慢慢切开，取出单晶片；
6、Mn掺杂的InAs单晶片的后续处理：再次对晶片的上下表面进行化学机械抛光，去除表面的氧化物和残留杂质原子；
7、对晶片表面进行腐蚀清洗，然后吹干妥善保存。
经检测本实例中得到的锰掺杂的InAs单晶材料已经表现出p型导电特性，其表面电阻率为9.2×10-3/cm-1，空穴浓度为9.0×1018cm-3，该结果表明我们成功制备出锰掺杂的砷化铟单晶材料。
最后应说明的是：以上实施方案仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。由于可以在上述的产品和方法中做出各种改变而不背离本发明的范围，因此旨在将包含在上述描述中的所有主旨理解为是示例性的而不是限制性的。上述的对实施例的描述仅仅旨在使本领域的其他技术人员理解本发明、其原理以及其实际应用，以便本领域的其他技术人员可以以多种形式来调整和应用本发明，从而使其最好地适合于具体应用的要求。
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 (9)

1.一种制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：选取N型砷化铟单晶片作为衬底，对该衬底进行双面化学机械抛光，双面清洗并吹干；
步骤2：在N型砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜；
步骤3：将石英管和封泡用王水浸泡，采用去离子水冲洗干净并烘干，将具有锰薄膜的砷化铟晶片和适量砷放入石英管，用氢氧焰烧结封泡封口：
步骤4：对石英管进行高温长时热处理，该热处理是在砷气氛下进行，使砷化铟单晶片表面锰薄膜中的锰原子扩散到砷化铟单晶片中，得到锰掺杂的砷化铟单晶片；
步骤5：待温度降到室温，取出锰掺杂的砷化铟单晶片；
步骤6：对锰掺杂的砷化铟单晶片的上下表面进行化学机械抛光，去除表面的氧化物和残留杂质原子；
步骤7：对锰掺杂的砷化铟单晶片表面进行腐蚀清洗，然后吹干，得到P型锰掺杂的砷化铟单晶。
2.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤1中清洗采用腐蚀清洗，吹干采用氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤2中所述沉积为热蒸发法，电子束蒸发法、溅射法或分子束外延法。
4.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤2中所述在N型砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜，是采用锰的单质或者砷与锰的化合物作为沉积源。
5.根据权利要求1或4所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤2中所述在砷化铟单晶片的上下表面沉积一层锰薄膜，锰薄膜的厚度为0.1-1μm。
6.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤3中所述适量砷，系使步骤4中热处理在砷气氛下进行；所述用氢氧焰烧结封泡封口后，石英管内真空度小于1×10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤4中所述热处理温度为700～900℃，时间为80～120小时。
8.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤6中所述去除表面的氧化物和残留杂质原子，采用的腐蚀液为盐酸、硫酸和氢氟酸中的一种或两种以上混合。
9.根据权利要求1所述的制备P型锰掺杂的砷化铟单晶的方法，其特征在于，步骤7中所述对锰掺杂的砷化铟单晶片表面进行腐蚀清洗，采用的清洗液为乙醇、丙酮和乙醚中的一种或几种。
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