CN116013961A - 一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，采用原子层沉积系统的远端氧等离子体吹扫GaN单晶薄膜，使氧初始附着氮化镓表面；然后采用氧化物分子束外延统，在高温下利用臭氧氧化氮化镓表面，在GaN表面形成一层薄的氧化镓（GaOx）；最后采用磁控溅射系统，在GaOx层上溅射铁磁金属层以及贵金属保护层，实现铁磁金属注入电极，完成自旋注入结的制备。该方法利用氧化物分子束外延系统以及原子层沉积系统，实现大面积、连续、高质量的自氧化GaOx自旋隧穿介质层，具有重复性高，成本低，可大规模生产以及隧穿层界面质量佳的优点。

Description

一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法
技术领域
本发明属于GaN基自旋电子学的技术领域，具体涉及一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法。
背景技术
GaN作为第三代半导体，在高频、大功率电子器件、固态照明、紫外和深紫外相干光源及探测器等多种功能器件中有着成熟的应用，为探索相关自旋电子应用提供了平台。GaN由于其本质上较弱的自旋轨道耦合以及较弱的自旋弛豫，被认为是一种很有前途的室温自旋电子器件半导体。然而自旋注入所需要的隧穿势垒内部的局域界面态可能会捕获自旋极化电子，并且隧穿势垒（MgO以及Al2O3）很容易在工艺流程中损坏，例如水解效应。同时，利用磁控溅射或者原子层沉积生长氧化物隧穿层成本高，很难大规模生产。利用氧化物介质层实现高质量高效率自旋隧穿注入结仍具有挑战性。
GaN表面通过光化学氧化、脉冲激光沉积、氧等离子体氧化和热氧化自氧化形成的氧化物GaOx（以β-Ga2O3居多）化学性质稳定，禁带宽度大，作为GaN基互补金属氧化物半导体栅极界面态密度低。因此，自氧化形成的GaOx介质是作为自旋注入隧穿结势垒层天然的平台。但是氮化镓自氧化隧穿介质在自旋注入结制备方面的技术缺失。
发明内容
针对现有技术的不足，以及自氧化在自旋注入方面的技术缺失，本发明提供了一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，利用氧化物分子束外延系统以及原子层沉积系统，实现大面积、连续、高质量的自氧化氧化镓GaOx自旋隧穿介质层。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：
一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，采用原子层沉积系统的远端氧等离子体使干净GaN表面均匀附着氧；采用氧化物分子束外延系统，在臭氧环境下高温退火，实现重建等离子体氧化并解决GaN表面形成结晶自氧化介质层的需求；通过磁控溅射以及光刻，实现在自氧化介质层上形成平整连续铁磁金属注入电极，完成自旋注入结的制备。
进一步地，本发明的技术方案包括如下步骤：
步骤a. 将衬底上生长的GaN单晶薄膜样品置入原子层沉积系统，利用远端氧等离子体清洗样品表面。
步骤b. 将氧等离子体清洗过的样品传送至氧化物分子束外延系统，利用臭氧氧化表面，在GaN薄膜上形成自氧化GaOx层，其中1≤x≤2。
步骤c. 将氧化后的样品传至磁控溅射系统，在自氧化GaOx层上制备铁磁金属膜。
步骤d. 在磁控溅射系统中，在铁磁金属膜上溅射一层贵金属保护膜。
步骤 e. 镀膜结束后，将样品进行光刻工艺，结合刻蚀工艺，制备铁磁金属注入电极结构，获得氮化镓自旋注入结器件。
作为优选，所述步骤a中，GaN单晶薄膜样品初始表面需要清洗或者利用真空互联直接将金属有机化合物化学气相沉淀生长好的氮化镓单晶薄膜样品传送至原子层沉积系统中。
进一步优选，初始GaN单晶薄膜样品表面清洗方法包括干法清洗：将GaN单晶薄膜样品传至真空等离子体清洗腔室，利用氩（Ar）等离子体干法清洗，离子束电流40mA到60mA，清洗时间20s到40 s。
进一步优选，初始GaN单晶薄膜样品表面清洗方法包括湿法清洗：将GaN单晶薄膜样品置于含有丙酮和异丙醇的超声波浴中清洗3分钟到5分钟，然后用过氧化氢（H2O2）:硫酸(H2SO4) （体积比1:1）清洗30 s到60 s，最后置于缓冲氧化物刻蚀液（氢氟酸浓度4%到5%）清洗15s到25 s。
作为优选，所述步骤a中，所使用GaN单晶薄膜样品的衬底可以是蓝宝石衬底、碳化硅衬底以及硅衬底，衬底上的GaN单晶薄膜厚度可为0.3~2μm。
作为优选，所述步骤a中，在原子层沉积系统中，远端氧等离子体清洗表面时需要加热至300摄氏度到400摄氏度，更有利于氧在表面的附着。优选的工作条件为：功率1200~1500W，温度300~400摄氏度，处理时间10~15分钟。
作为优选，所述步骤b中，氧化物分子束外延系统利用臭氧氧化表面，并且氧化气压为1×10-5mbar到 1.5×10-5mbar，氧化温度为650~850摄氏度，氧化时间为30~45分钟。
作为优选，所述步骤c中，使用射频电源溅射，使用的靶材可以为Co，也可以使用Fe、CoFeB等铁磁金属。
作为优选，所述步骤c中，铁磁金属膜厚度在25~30nm。以靶材Co为例，利用交流源射频放电，固定气压1.6 ~2mTorr，功率45~70W，溅射时间20~40分钟（具体时间以系统当前速率为准，铁磁金属Co膜目标厚度为25 nm到30nm）。
作为优选，所述步骤d中，磁控溅射使用直流电源溅射，使用的靶材为贵金属，例如Pt、Ru等。以靶材Pt为例，利用直流源射频放电，固定气压1.6 ~2mTorr，功率50~80W，溅射时间15~30分钟（具体时间以系统当前速率为准，金属Pt膜目标厚度为30nm到40 nm）。
作为优选，所述步骤c和d中，磁控溅射启辉气体是纯度为99.999%的Ar气。
作为优选，所述步骤e中，光刻工艺使用的光刻胶为安智AZ601，起到掩膜的作用。
作为优选，所述步骤e中，刻蚀工艺利用离子束刻蚀机或者反应性离子刻蚀机，将非电极区域金属层刻蚀。
作为优选，所述步骤e中，电极形状为“T”字形，竖条作为自旋注入结构，横条作为器件引脚。
本发明中的上述技术方案具有以下优点：
1、本发明利用氧化物分子束外延系统对GaN表面进行氧化退火时，采用臭氧氧化，臭氧氧化能力更强，使GaN表面更易氧化。同时环境温度需要升高至650~850摄氏度，既有效使得氧化镓形成，同时该环境温度会使得氧化层表面更为平滑，避免了在制备自旋注入结时，铁磁金属表面粗糙导致的静磁场驰豫，同时氧化物分子束外延系统可以处于真空互联系统的一部分，GaN初始表面更为干净本征。
2、本发明利用真空互联中的磁控溅射设备生长铁磁隧穿层，结合离子束刻蚀机工艺，制备成自旋注入隧穿结，此方式提升了界面质量，避免了一般工艺中显影——剥离导致的残胶、更多表面态的缺点。
3、本发明利用GaN自氧化形成的GaOx作为自旋隧穿介质层，相比于原子层沉积或者磁控溅射生长的氧化物隧穿层，自氧化GaOx作为隧穿介质具有重复性高，成本低，可大规模生产以及隧穿层界面质量佳的优点。
附图说明
图1为本发明制备的GaN自氧化自旋隧穿结的结构示意图。
图2为本发明实施例1得到的生长好自氧化隧穿介质以及铁磁金属注入层的两英寸GaN晶圆照片。
图3为本发明实施例1得到的经过工艺处理后的自旋隧穿结的显微镜图片，“T”字形注入结果满足磁化方向单一以及器件引脚的双重需求。
图4为本发明实施例1得到的GaOx自旋隧穿介质层X射线光电子能谱分析中的Ga3d峰。
图5为本发明实施例1得到的GaOx自旋隧穿介质层X射线光电子能谱分析中的O1s峰。
图6为本发明实施例1得到的GaOx自旋隧穿介质层室温电流—电压特性曲线。
图7为本发明实施例1中得到的自旋注入汉勒曲线。
图8为本发明实施例1得到的自旋注入相关电阻随注入电流变化的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例1
制备表面自氧化的氮化镓自旋注入结，具体实施步骤如下：
步骤a. 将蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相沉淀生长的GaN单晶薄膜样品（厚度为2μm）真空互联传送置入原子层沉积系统，利用远端氧等离子体清洗样品表面。功率为1500W，时间为15分钟，加热温度为300摄氏度。
步骤b. 将氧等离子体清洗过的样品真空互联传送至氧化物分子束外延系统。利用臭氧氧化表面，氧化气压为1×10-5mbar，氧化温度为800摄氏度，氧化时间为30分钟。
步骤c. 将氧化后的样品真空互联传至磁控溅射系统。以Co为靶材，利用交流源射频放电，固定气压为1.8mTorr，功率为60W，溅射时间为25分钟。
步骤d. 将磁控溅射系统的溅射源转为直流，以Pt为靶材，固定气压为1.8mTorr，功率为70W，溅射20分钟。
步骤 e. 镀膜结束后，将样品进行光刻工艺，利用安智AZ601将“T”字形隧穿结结构作为掩膜保留。结合刻蚀工艺，利用离子束刻蚀机，加速电压70V，束流55mA，Ar等离子体刻蚀2分钟，制成多电极器件结构，获得氮化镓自旋注入结器件。
本发明实施例1得到的生长好自氧化隧穿介质层以及铁磁金属注入层的两英寸GaN晶圆如图2所示。
本发明实施例1得到的经过工艺处理后的自旋隧穿结的显微镜图片如图3所示，“T”字形注入结构满足磁化方向单一以及器件引脚的双重需求。
在步骤b结束时，利用X射线光电子能谱分析仪对自氧化形成的GaOx自旋隧穿介质层进行表征。如图4以及图5所示，O1s峰的峰值（表征介质层O原子相对含量）大致上为Ga3d峰的峰值（表征介质层Ga原子相对含量）的1.5倍，说明自氧化形成的GaOx质量佳，接近β-Ga2O3晶体。
通过图6所示的室温电流—电压特性曲线形式，自旋注入结构可以证明由隧穿占主导，表明自旋注入结良好的隧穿特性，满足自旋注入的要求。图7显示的是氮化镓自氧化自旋注入结自旋注入信号的探测，明显的汉勒曲线出现，证明了氮化镓中有效自旋极化的出现。同时能够达到欧姆量级输出的自旋相关电阻的出现证明本发明的氮化镓自氧化隧穿结质量佳，器件性能优秀，此输出比一般自旋隧穿结的输出值大一个量级以上，更有利于器件实际应用。图8中自旋相关电阻与注入电流呈相关联的关系与通常自旋注入隧穿结的输出结果保持一致，同时也显示出本实施例中的自旋注入器件输出的自旋相关信号可以受到外界调控，有利于自旋注入结向自旋应用器件的转化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，皆属于本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种表面自氧化的氮化镓自旋注入结制备方法，其特征在于，采用原子层沉积系统的远端氧等离子体使干净GaN表面均匀附着氧；然后采用氧化物分子束外延系统，在臭氧环境下高温退火，使GaN表面形成结晶自氧化介质层；最后通过磁控溅射以及光刻，在自氧化介质层上形成平整连续铁磁金属注入电极，完成自旋注入结的制备。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将衬底上生长的GaN单晶薄膜样品置入原子层沉积系统，利用远端氧等离子体清洗样品表面；
2）将步骤1）清洗过的样品传送至氧化物分子束外延系统，利用臭氧氧化表面，在GaN单晶薄膜上形成自氧化GaOx层，其中1≤x≤2；
3）将氧化后的样品传至磁控溅射系统，在自氧化GaOx层上制备铁磁金属膜；
4）在磁控溅射系统中，在铁磁金属膜上溅射一层贵金属保护膜；
5）通过光刻和刻蚀制备铁磁金属注入电极结构，获得氮化镓自旋注入结器件。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在步骤1）先对GaN单晶薄膜样品初始表面进行清洗，再传送至原子层沉积系统中；或者利用真空互联直接将金属有机化合物化学气相沉淀生长好的氮化镓单晶薄膜样品传送至原子层沉积系统中。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底；衬底上的GaN单晶薄膜厚度为0.3~2 μm。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中原子层沉积系统在功率1200~1500W，温度300~400摄氏度条件下处理10~15分钟。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2）氧化气压为1×10-5mbar到 1.5×10-5mbar，氧化温度为650~850摄氏度，氧化时间为30~45分钟。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3）使用射频电源溅射，靶材为Co、Fe或CoFeB。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述铁磁金属膜厚度在25~30nm。
9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4）使用直流电源溅射，靶材为Pt或Ru。
10.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤5）中所述铁磁金属注入电极形状为“T”字形，其中竖条作为自旋注入结构，横条作为器件引脚。
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