CN1264200C - 利用氢化物气相外延制备GaMnN铁磁性薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
利用氢化物气相外延制备GaMnN铁磁性薄膜的方法，氢化物气相外延(HVPE)生长GaMnN铁磁性薄膜材料，在电炉中，包括N2管道和NH3管道、设有金属镓源-HCl-N2管道，包括一路金属镓源-HCl-N2管道，并将反应物GaCl-N2均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区，添加一路HCl气体，将金属Mn载入反应区域，使得Mn可以参加到GaN合成反应过程中。通过质量流量计来控制反应中携带Mn的HCl的流量，就可以控制Mn的载入量。本发明可以获得完全的GaMnN和GaN薄膜材料。HVPE生长GaMnN合金薄膜具有生长速率高、可以生长大面积薄膜，反应物中Mn的掺杂量可控等优点。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种新型的制备半导体铁磁性薄膜材料GaMnN的方法，利用HVPE(氢化物气相外延)方法制备GaMnN铁磁性薄膜。
二、背景技术
一般来说，传统的半导体材料都是不具备磁性的。而DMS材料，也就是稀释半导体材料(Diluted Magnetic Semiconductor)是利用磁性过渡族金属离子或者稀土离子部分取代半导体材料中的非磁性阳离子，形成的一种磁性半导体材料。
信息处理，集成电路和高频大功率器件是半导体中电荷特性被应用的范例，这利用的是电子的电荷自由度。而存储器，磁光盘等存储器件是利用电子的自旋自由度来存储信息的。DMS材料可同时利用电子电荷自由度和电子自旋自由度来工作，由于基质半导体和掺杂原子之间的电子相互转移和相互作用，使得DMS材料在又具有很多独特的物理性质，如巨Zeeman效应、磁光效应的加强、巨负磁阻效应和反常霍尔效应等，很有希望应用于自旋电子器件和磁光器件等新型量子器件中。
对于稀磁半导体(DMS)材料来说，如果能够应用于器件制备，有两个基本要求：高于室温的居里温度(Tc)和基于半导体材料以便可以对载流子进行控制。(In，Mn)As和(Ga，Mn)As的研制成功是DMS材料发展的重要里程碑，但是它们的居里温度分别为35K和110K。由于III-V族半导体材料具有优异的电学和光学性能。所以目前广泛地作为制备DMS材料的基质材料。
GaMnN就是基于III-V族半导体材料GaN的一种新型DMS材料，理论计算和实验都证明了GaMnN材料具有高于室温的铁磁性。是一种非常有发展前景的DMS材料。但是在合成GaMnN方面有许多难点，比如在合成过程中Mn和N容易形成八面体结构，而Ga和N优先形成四面体结构，Mn金属的饱和蒸气压比镓金属的饱和蒸气压高100倍等。当引入Mn离子时，容易产生MnGa合金，而不是GaMnN合金，Mn不容易取代Ga位形成固溶体。所以研制合适的合成GaMnN方法是必要的也是必须的。
本申请是利用HVPE(氢化物气相外延)方法制备GaN薄膜方法的改进，用途上有着进一步的拓展。
三、发明内容
利用氢化物气相外延制备GaMnN铁磁性薄膜的方法，氢化物气相外延(HVPE)生长GaMnN铁磁性薄膜材料，电炉中包括N2管道和NH3管道、设有金属镓源-HCl-N2管道，包括一路金属镓源-HCl-N2管道，并将反应物GaCl-N2均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区。HCl作为载带气体，携带金属Ga进入反应区域。N2作为稀释气体，NH3气作为氮源来生长GaN薄膜的。我们通过HVPE方法成功地在蓝宝石α-Al2O3衬底上制备了高质量的GaN单晶薄膜。
通过对原有HVPE设备进行改装，在设备中添加一路HCl气体，将金属Mn载入反应区域，使得Mn可以参加到GaN合成反应过程中。通过质量流量计来控制反应中携带Mn的HCl的流量，就可以控制Mn的载入量。
N2气稀释气流量2500-3500sccm，NH3气500-700sccm，金属Ga的HCl载气量4-8sccm。在设备中添加一路HCl载气来载带金属Mn。金属Mn的HCl载气量范围3-6sccm。金属Ga和Mn所在位置为820-860℃，反应区域温度，即蓝宝石α-Al2O3衬底所在位置的温度为1030℃。生长时间为8-20min的条件下可以获得完全的GaN和GaMnN合金薄膜。
可以设有两路或多路镓源传输管道使内部气流分布均匀。可以看出改进后沉积的薄膜均匀性也有很大的改善。见本申请人中国专利申请021125147。生长的GaMnN铁磁性薄膜材料面积扩大到5cm×4cm，而厚度均匀的有效薄膜面积可达到4cm×3cm。
调节HCl载气流量的目的有两个，一方面可以控制载入反应区域的Mn的量，一方面可以控制HCl和NH3气的分压，也就是控制了N和Mn在反应中的原子比。
在采用合适的工艺条件下，并且在一定试验条件范围内可以获得GaMnN和GaN成分的半导体薄膜。
XRD(X射线衍射分析)指出，在合适的反应条件下，获得的样品只含有GaN和GaMnN两种成分。XPS(X射线光电谱)分析表明，Mn元素在薄膜中以化合物的形式存在，而不是以单质的形式存在。综合两种分析结果可以说明Mn元素在GaN中取代Ga的位置，形成的是固溶体化合物。磁性能通过VSM(震动样品磁强计)测试，结果说明GaMnN合金薄膜具有室温铁磁性。样品最高磁化强度为0.04emu，Hc为134.4Oe。从M-T曲线拟合结果看，居里温度大概在325K左右。SEM(扫描电子显微镜)端口分析表明，经过10min反应时间的薄膜厚度约为4μm。
EDX(能量散射谱)测试结果表明HCl载气量在3sccm，获得的样品中Mn的原子百分比最小为5％，HCl载气量在6sccm，获得样品中Mn的原子百分比最高为％17。
本发明的机理和技术特点是：
HVPE生长DMS材料的方法是通过单独的一路HCl载气，将金属Mn载入反应区域。这样在生长GaN薄膜材料的同时，可以在反应中引入Mn元素。调节HCl载带气体的流量可以控制反应中载入的金属Mn的含量，控制了合成物的种类和DMS材料中Mn的掺杂量。试验结果表明
四、附图说明
图1为本发明GaMnN合金薄膜的XRD谱图
图2为本发明293K温度下GaMnN薄膜的M-H曲线
图3为本发明GaMnN薄膜M-T曲线
五、具体实施方式
1、采用HVPE生长设备，试验条件为N2气稀释气流量3000sccm，NH3气600sccm，金属Ga的HCl载气量6sccm在设备中添加一路HCl载气来载带金属Mn，金属Mn的HCl载气量0-10sccm。金属Ga和Mn所在位置为840℃，反应区域温度，即蓝宝石α-Al2O3衬底所在位置的温度为1030℃。生长时间为10min。
2、调节金属Mn的HCl载气量在3-6sccm，即金属Mn的HCl流量载气和NH3气流量比为0.5/100-1/100范围内可以获得完全的GaMnN和GaN合金薄膜。HCl载气量在3sccm，获得的样品中Mn的原子百分比最小为5％，HCl载气量在6sccm，获得样品中Mn的原子百分比最高为17％。
Claims (2)
1、利用氢化物气相外延制备GaMnN铁磁性薄膜的方法，其特征是以氢化物气相外延生长GaMnN铁磁性薄膜材料，电炉中包括N2管道和NH3管道、设有金属镓源-HCl-N2管道，包括一路金属镓源-HCl-N2管道，并将反应物GaCl-N2均匀输运至电炉的GaN薄膜材料的生长区，添加一路HCl气体，将金属Mn载入反应区域，使得Mn可以参加到GaN合成反应过程中，通过质量流量计来控制反应中携带Mn的HCl的流量，就可以控制Mn的载入量；其中N2气稀释气流量2500-3500sccm，NH3气500-700sccm，金属Ga的HCl载气量4-8sccm；金属Mn的HCl载气量范围3-6sccm；金属Ga和Mn所在位置为820-860℃，在蓝宝石α-Al2O3衬底所在反应区域位置的温度为1030℃，生长时间为8-20min。
2、由权利要求1所述的利用氢化物气相外延制备GaMnN铁磁性薄膜的方法，其特征是获得完全的GaMnN和GaN合金薄膜的条件是：Mn的HCl流量载气和NH3气流量比为0.5/100-1/100范围。
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