CN1248245C - 掺锰硅基磁性半导体薄膜材料及制法 - Google Patents
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Abstract
掺锰硅基磁性半导体薄膜材料，锰与硅的摩尔比为1-10%的薄膜材料。其厚度为1-10，000nm。掺锰硅基磁性半导体薄膜材料的制法包括以下步骤：在硅薄膜材料真空锰溅射的方法，制成锰与硅的摩尔比为1-10%的厚度为1-10微米的硅薄膜，然后以温度为900-1400℃的范围内且在保护性气氛条件下将硅材料的结晶化，时间为20min-2小时，得到具有半导体性能要求的硅材料。掺锰硅材料表现出了铁磁性且具有高于400K的铁磁转变温度；同时，其电传输特性也呈半导体特性。
Description
一、技术领域
本发明是涉及到材料的特性与制备方法这一领域，特别是该发明提供了一个独到的方法。通过该方法可以对半导体硅(Si)材料进行锰(Mn)的有效掺杂而产生居里温度高于室温的铁磁性，制备出有广泛实用前景的硅基磁性半导体。
二、背景技术
在过去的半个世纪内，现代电子科学和技术极大地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世纪最伟大的成之一就是微电子学及其应用。
然而，所有这些成就的取得仅仅是利用了电子的固有特性之一，即电子所携带的负电荷。而电子的另一重要特性，即自旋，一直未引起人们的重视。随着人类对电子自旋这一特性及其输运性质的认识的愈加深入，特别是由于现代电子科学技术进一步发展的要求，今天，研究和利用电子的自旋以期开发出具有特殊功能的器件已经成为可能，并且已成为举世瞩目的新领域。“自旋电子学”就是奠基在自旋输运性质的电子学，正引起了人们的广泛关注，它将成为纳电子学的重要组成部分(Wolf，S.A.et al.Science 294，1488(2001)；G.A.Prinz，Science 282，1660(1998).)。
自从1988年发现巨磁电阻效应(GMR)以来，利用电子自旋的某些器件，如巨磁电阻传感器、高密度磁盘读出磁头和磁电阻存储单元已实现了工业化生产，取得显著的经济效益与社会效应。同样，利用电子自旋的隧道磁电阻效应(TMR)也正进入商品化阶段。然而，自旋电子学的更加广泛的应用，还在于同时对半导体中电子的电荷和自旋加以利用的另一重大方向，即半导体自旋电子学。
与常规半导体器件相比，半导体自旋电子学器件的主要优点包括：1，非挥发性；2，更低的能耗；3，更高的集成度；以及4，更快的工作过程。但半导体自旋电子学更大的吸引力也许是至今我们还不能了解的奇妙的性能。半导体自旋电子学研究的内容包括：自旋的注入，自旋的传输和自旋的探测。探索出具有实用意义的磁性半导体材料及相关物理性质的实验研究和理论机理探索构成了当前半导体自旋电子学研究的最主要的方向。
作为一门目前在国际上受到高度重视而又发展迅猛的新兴学科，自旋电子学研究的一项主要内容就是获得具有实用意义的磁性半导体材料，即具有高于室温的铁磁居里温度和优越的半导体性能。
最近在该方面所获得的突破均集中在稀释磁性半导体，即在相关半导体材料中掺杂磁性元素。在掺Mn的GaAs材料上得到了转变温度为100K以上的磁性半导体(H.Ohno，Science 281，951(1998).)。同时，在对ZnO，TiO2等半导体材料进行Co元素的掺杂后，在室温下观测到了该材料存在铁磁性(Y.Matsumoto，Science 291，854(2001).)。但要将这些突破的实用意义具体体现出来，还为时尚早。一方面，仅管人们对GaAs的半导体性质有了很充分的了解，但其磁性转变温度的进一步提高是其得到广泛应用的主要障碍。另一方面，对掺Co的TiO2及其它氧化物半导体材料来说，尽管其磁性转变温度已达室温，但人们对其半导体性能的了解是非常有限的，以及其半导体性质能否满足要求，仍不清楚。最进，人们通过对Ge进行Mn元素的掺杂，获得了居里温度约为116K的磁性半导体(Y.D.Park，Science 295，651(2002).)。但正如对GaAs掺Mn所得到的磁性半导体材料一样，由于其较低的居里温度，能否进入实际应用还难以预料。
作为在微电子领域得到了广泛应用的硅材料来说，人们对其半导体性质已经有了非常深入而充分的了解。基于传统而又获得最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。建立在硅基磁性半导体上的自旋电子学有几方面的优势：1，硅是地球上最丰富而廉价的半导体材料；2，可以对目前已非常成熟的硅半导体器件的工艺技术加以利用；3，新开发出的自旋电子学器件将与现有的各种半导体器件具有很好的兼容性。同时，其成熟的工艺技术也为该方面的新型功能器件的开发提供了现成的技术平台。因此，开发Si基磁性半导体是人们的梦寐以求并竟相努力的目标。
实际上，国际上在硅基磁性半导体的研究和开发方面已经做了大量的工作。但均未能得到所需要的磁性半导体性能。主要的困难在于，由于在通常条件下锰元素在硅材料里的固溶度太低(约为百万分之一的量级)而不能获得高浓度(百分之一到五)的取代掺杂以实现有效的磁耦合。
三、发明内容
本发明的目的就是要克服上述问题而获得基于硅材料的磁性半导体。
本发明的技术方案是如下述方式实现的：掺锰硅基磁性半导体薄膜材料，由锰和硅组成，厚度1-10微米，锰与硅的摩尔比为：1-10％。
掺锰硅基磁性半导体薄膜材料的制法，在硅薄膜材料上真空溅射锰，制成锰与硅的摩尔比为1-10％、厚度为1-10微米的硅锰薄膜，然后以温度为900-1400℃的范围内且在保护性气氛条件下将硅材料结晶化，时间为20分钟-2小时，得到具有半导体性能要求的掺锰硅基磁性半导体薄膜。
或在硅薄膜材料上用CVD沉积后以热/电子束共蒸发制备锰与硅的摩尔比为1-10％、厚度为1-10微米的硅锰薄膜，并进行如上处理。
在结晶化过程中或结晶后利用激光/快速热处理工艺对掺锰硅基磁性半导体薄膜进行处理，能量密度为＞1J/cm2。
热处理过程中外来杂质的控制也显得很关键，应采用合适的保护气氛以确保材料在处理过程中不受污染。
步骤c)中利用激光时，为避免处理后薄膜表面出现裂纹，样品衬底的辅助加热也是必要的。
有益效果：
正如在上面有关部分所陈述到的，到目前为止，还没有关于掺锰硅基磁性半导体制备的成功报道。本发明属于掺锰硅基磁性半导体制备的独特方法，利用本发明所制备的掺锰硅材料表现出了铁磁性(见图1)且具有高于400K的铁磁转变温度(见图2)；同时，其电传输特性也呈半导体特性(见图3)。该发明所得到的这些结果在国际上尙属首次。
四、附图说明
本发明的成果具体体现在所制备的掺锰硅材料属于磁性半导体。所有附图表明了这些成果：
图1：本发明利用超导量子干涉仪(SQUID)对所制备的掺锰硅材料进行测量所得到的结果。该M-H曲线表明了所制备的材料在4.2K(圆点)和300K(菱形点)具有铁磁性。
图2：本发明利用超导量子干涉仪(SQUID)对所制备的掺锰硅材料进行测量所得到的结果。该M-T曲线表明了所制备的材料的铁磁居里转变温度高于400K。
图3：本发明利用“四探针”法(Four-probes)对所制备的掺锰硅材料进行测量所得到的结果。该R-T曲线表明了所制备的材料的电传输特性属于半导体行为。
五、具体实施方式
为了充分利用目前已微电子领域所广泛应用的硅材料的优点，为自旋点子学的广泛应用打下坚实的物质基础，我们发明了一种独到并且在目前是唯一有效的工艺过程以制备掺锰硅基磁性半导体。
该工艺过程实际上是由2或3个步骤组成：第一步是制得所要求的锰含量的硅薄膜；然后，对所制得的含锰硅薄进行晶化以得到结晶化的硅材料；最后，对结晶化的硅材料进行瞬时烧结。
典型的过程是，利用射频磁控共溅射，在1-4Pa的工作气压的条件下，沉积含锰量为1-8％的厚度为2微米的硅薄膜。利用氮气作为保护气体，将含锰硅薄膜在热退火炉中进行处理。退火温度可以在800-1400℃之间。
热/电子束共蒸发的工艺条件与射频/直流磁控共溅射的方法相同。然后，可利用能量密度为~2.5J/cm2的准分子激光对薄膜进行处理。
CVD沉积和离子注入法也可用于含锰的硅薄膜的制备。工艺条件为：SiH4和H2流量比1∶0-1∶10，反应气压0.5-10Torr，RF功率10-300W。沉积时间根据所要求的度而定。然后，利用常规的离子注入设备，按照一定的剂量将锰注入到CVD薄膜材料。最后，可利用能量密度为~2.5J/cm2的准分子激光对薄膜进行处理。
需要特别指出的是，在以上所列的各种方法中，可用的衬底包括硅片，石英，陶瓷等。在利用激光对薄膜进行处理时，也可以利用玻璃衬底。
Claims (4)
1、掺锰硅基磁性半导体薄膜材料，其特征是锰和硅组成，厚度1-10微米，锰与硅的摩尔比为：1-10％。
2、掺锰硅基磁性半导体薄膜材料的制法，其特征是包括以下步骤：在硅薄膜材料上真空溅射锰，制成锰与硅的摩尔比为1-10％、厚度为1-10微米的硅锰薄膜，然后以温度为900-1400℃的范围内且在保护性气氛条件下将硅材料结晶化，时间为20分钟-2小时，得到具有半导体性能要求的掺锰硅基磁性半导体薄膜。
3、掺锰硅基磁性半导体薄膜材料的制法，其特征是在硅薄膜材料上用CVD沉积后以热/电子束共蒸发制成锰与硅的摩尔比为1-10％、厚度为1-10微米的硅锰薄膜，然后以温度为900-1400℃的范围内且在保护性气氛条件下将硅材料结晶化，时间为20分钟-2小时，得到具有半导体性能要求的掺锰硅基磁性半导体薄膜。
4、由权利要求2或3所述的掺锰硅基磁性半导体薄膜材料的制法，其特征是在结晶化过程中或结晶后利用激光/快速热处理工艺对掺锰硅基磁性半导体薄膜进行处理，能量密度为＞1J/cm2。
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