專利名稱：N₂O摻雜p型Zn_1-xCo_xO稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的生長方法，尤其是N20摻雜 生長p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的方法。
技術(shù)背景稀磁半導(dǎo)體(DMs)材料是在非磁性半導(dǎo)體(如iv-vi族、n-vi族或m-v族) 中摻雜磁性離子，利用載流子控制技術(shù)產(chǎn)生磁性的新型功能材料。由于磁性離子 局域磁矩與能帶電子自旋存在交換作用，因此通過改變磁性雜質(zhì)濃度和外磁場 強(qiáng)度可以有效控制它們的光電、磁性、光吸收和輸運(yùn)等特性。dms同時應(yīng)用了 電子電荷和自旋性質(zhì)，因此可以直接與現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件集成，可以用來制備 各種超低能量消耗高密度的信息存儲器、邏輯器和自旋偏振光發(fā)射器等集成了 光、電、磁功能的新型器件。ZnO基DMSs材料的研究還處于基礎(chǔ)研究階段，在材料制備方面的研究重 點(diǎn)是通過物理或化學(xué)制備方法引入過渡金屬(TM)離子取代鋅離子(Zn)實(shí)現(xiàn)其磁 性，因?yàn)門M離子半徑和Zn離子相差不大，容易進(jìn)入ZnO的晶格；TM3d電 子軌道處于未填滿狀態(tài)，TM離子之間的自旋耦合交換作用或者通過電子(空穴) 調(diào)節(jié)的自旋耦合交換作用可能是其磁性來源。如果能夠制備可控的p型ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜將有望開辟ZnO基稀磁半 導(dǎo)體器件的應(yīng)用。目前雖然有ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜性能研究的許多論文報道， 但尚無制備p型ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種N20摻雜p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制 備方法。本發(fā)明的N20摻雜生長p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜，其載流子濃度為 1015 1018cm_3， Co的摩爾百分含量x為0<x《10°/。。N20摻雜生長p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的方法，采用的是脈沖激光沉 積法，包括以下步驟1) 稱量純ZnO、 0)203粉末，其中Co的摩爾百分含量x為(Kx《10。/。，將 上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000 1300'C溫度下燒結(jié)，制得摻 Co的Zm.xCoxO陶瓷靶；2) 將步驟l)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，保持靶材與襯底之間的距離為4 6cm，生長室真空度至少抽至l(T3Pa，襯 底加熱升溫到300 700。C,生長室通入N20氣體，控制壓強(qiáng)為2 15Pa，開啟 激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，沉積在襯底上，得到N20摻雜p型 Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜，將薄膜在50Pa氧氣氛下冷卻至室溫。本發(fā)明中，ZnO的純度》99.99%， Co203的純度>99.99 %。所說的襯底可 以是硅或藍(lán)寶石或氧化鋅或石英或玻璃。本發(fā)明的有益效果在于1) 方法簡單，p型摻雜濃度可以通過調(diào)節(jié)N20氣體壓強(qiáng)來控制；2) 在Zm-xC0xO晶體薄膜生長過程中實(shí)現(xiàn)受主N的實(shí)時摻雜；3) 本發(fā)明生長的N20摻雜p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜同時具有半導(dǎo)體 的性能及磁學(xué)性能。


圖1是根據(jù)本發(fā)明方法采用的脈沖激光沉積裝置示意圖，圖中1為激光器; 2為生長室；3為靶材；4為襯底。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1以玻璃為襯底生長N20摻雜p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜，具體步驟如下1) 陶瓷靶的制備稱量純度為99.99 %的ZnO、 0>203粉末，其中Co的摩 爾百分含量為5%。將稱量好的ZnO、 0)203粉末倒入裝有瑪瑙球的球磨罐中， 在球磨機(jī)上球磨15個小時，目的是將ZnO、 0)203粉末混合均勻并在一定程度 上細(xì)化。然后將原料分離出來并烘干，添加粘結(jié)劑研磨，壓制成型。把成型的 胚體放入燒結(jié)爐中，經(jīng)低溫(800°C)排素，使粘結(jié)劑揮發(fā)，再升溫至1200。C燒 結(jié)2小時，得到摻Co的Zno.95Coo.05O陶瓷靶。2) 薄膜的制備將摻Co的Zna95C0a()50陶瓷靶裝在靶材架上，然后嵌入脈 沖激光沉積裝置的靶托中。將玻璃襯底經(jīng)過清洗后固定在樣品臺上，放入生長 室2。調(diào)節(jié)襯底4和靶材3的距離為4.5 cm，并用擋板將襯底和靶隔開。生長室 真空度抽至2xl(^Pa，襯底加熱至薄膜生長溫度500'C，通入N20氣體，壓強(qiáng) 控制在15Pa。開啟激光器1 (脈沖激光能量為280mJ，頻率5 Hz)，預(yù)沉積5min， 除去靶材表面的玷污，然后旋開擋板，沉積薄膜。沉積過程中襯底和耙材低速 旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性。沉積時間為40min，薄膜厚約為200nm。生長結(jié)束后薄膜在50 Pa的氧氣保護(hù)下緩慢冷卻至室溫。本例制得的N20慘雜 2110.950)0.050稀磁半導(dǎo)體薄膜顯示？型導(dǎo)電電阻率為1313Qcm，空穴濃度為 4.14xl015cm-3，霍爾遷移率為1.34cmVv.s，并且經(jīng)SQUID測試具有磁性。 實(shí)施例2制備方法同實(shí)施例l，區(qū)別在于Co的摩爾百分含量為1%，控制N20氣體 壓強(qiáng)為10Pa。本例制得的N20摻雜Zn,Co謹(jǐn)O稀磁半導(dǎo)體薄膜顯示p型導(dǎo)電 電阻率為250.4 Q cm，空穴濃度為4.04x1017cm—3，霍爾遷移率為0.874 cm2/V.s， 并且經(jīng)SQUID測試具有磁性。實(shí)施例3制備方法同實(shí)施例1，區(qū)別在于Co的摩爾百分含量為10 %，本例制得的 N20摻雜Zno.9oCo。.u)0稀磁半導(dǎo)體薄膜顯示p型導(dǎo)電電阻率為1834cm，空穴 濃度為2.31xl015cm.3，霍爾遷移率為1.717 cm2/V.s,并且經(jīng)SQUID測試具有磁 性。
權(quán)利要求
1.N2O摻雜p型Zn1-xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜，其特征是該薄膜的載流子濃度為1015～1018cm-3，Co的摩爾百分含量x為0＜x≤10％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N20慘雜p型Zni_xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備 方法，包括以下步驟1) 稱量純ZnO、 0)203粉末，其中Co的摩爾百分含量x為0〈x《10。/。，將 上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000 130(TC溫度下燒結(jié)，制得摻 Co的Zn,.xCOxO陶瓷耙；2) 將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室 中，保持靶材與襯底之間的距離為4 6cm，生長室真空度至少抽至l(^Pa，襯 底加熱升溫到300 70(TC，生長室通入N20氣體，控制壓強(qiáng)為2 15Pa，開啟 激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，沉積在襯底上，得到N20摻雜p型 Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜，將薄膜在50Pa氧氣氛下冷卻至室溫。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的N20摻雜p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備 方法，其特征在于所說的襯底是硅或藍(lán)寶石或氧化鋅或石英或玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及N₂O摻雜生長p型Zn_1-xCo_xO稀磁半導(dǎo)體薄膜的方法，采用的是脈沖激光沉積法。靶材是由純ZnO、Co₂O₃粉末混合燒結(jié)的陶瓷靶，其中Co的摩爾百分含量x為0＜x≤10％。將襯底清洗后放入脈沖激光沉積裝置生長室中，生長室抽真空，在壓強(qiáng)為2～15Pa的N₂O氣氛下生長，生長溫度為300～700℃。本發(fā)明方法簡單，p型摻雜濃度可以通過調(diào)節(jié)N₂O氣體壓強(qiáng)來控制；本方法制得的p型Zn_1-xCo_xO稀磁半導(dǎo)體薄膜同時具有半導(dǎo)體的性能及磁學(xué)性能。載流子濃度為10¹⁵～10¹⁸cm^-3。
文檔編號H01L43/00GK101235457SQ200810059939
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者葉志鎮(zhèn), 葉志高, 朱麗萍, 趙炳輝 申請人:浙江大學(xué)