專利名稱：具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種高質(zhì)量、電阻率和載流子濃度可調(diào)、具有室溫內(nèi)稟鐵磁性的過渡金屬離子摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
二十世紀五十年代以來，對硅(Si)為代表的半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用使人們迎來 了信息技術(shù)革命的浪潮。進入ニi^一世紀，人們對信息處理、信息傳輸和信息存儲的速度和規(guī)模提出了空前要求，信息技術(shù)的發(fā)展迎來了新的機遇和挑戰(zhàn)。一方面，主要依賴于電子電荷屬性的信息處理和傳輸元件開始遭遇到尺寸效應(yīng)的瓶頸。另ー方面，以磁性材料為載體的信息存儲元件則比較單一地依賴于電子的自旋屬性。如果能同時利用電子的電荷與自旋屬性，研制開發(fā)出新一代的自旋電子器件，無疑將引發(fā)ー場新的信息技術(shù)革命。稀磁半導(dǎo)體(DilutedMagnetic Semiconductors, DMSs)是指由磁性離子(過渡金屬離子或稀土金屬離子)部分替代半導(dǎo)體中的非磁性離子后形成的ー類新型半導(dǎo)體材料。由于DMSs擁有新穎的磁光、磁電性能，并且能同時利用載流子的電荷屬性和自旋屬性，因而在自旋場效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管、自旋閥等自旋電子器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。除此之外，由于DMSs是以半導(dǎo)體材料為基體經(jīng)摻雜引入磁性離子后得到的，相對于傳統(tǒng)磁性半導(dǎo)體材料，DMSs與當前的半導(dǎo)體エ藝更有可能兼容。DMSs研究的ー個重要的方面是獲得具有高居里溫度的內(nèi)稟鐵磁性材料。ZnO是ー種直接帶隙(3. 4 eV)高激子結(jié)合能(60 meV)的半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良光電特性，在透明導(dǎo)電薄膜、紫外半導(dǎo)體激光等方面有廣泛的應(yīng)用。此外，ZnO還有成本低廉、原料易獲得、無毒、對制備條件要求相對較低等優(yōu)點。在過去十幾年里,人們對過渡金屬(Mn、Co、Fe、Ni等)摻雜ZnO開展了大量的研究。2001年日本Osaka大學(xué)Ueda等人在Appl. Phys. Lett.發(fā)表文章公開了 η型ZrvxTMxO(χ=0. 05 O. 25，TM=Co、Cr、Mn、Ni)，然而對所制備的Ni、Cr、Mn摻雜的薄膜進行分析，并沒有觀察到鐵磁性。北京大學(xué)的專利申請CN101016164A公開ー種摻鈷氧化鋅(CoxZrvxO)稀磁半導(dǎo)體材料；浙江大學(xué)的專利申請CN101183607A公開ー種氧化鋅摻雜鐵(ZrvxFexO)稀磁半導(dǎo)體材料。然而，由于摻雜引入的過渡金屬本身或其氧化物具有鐵磁性，為澄清稀磁半導(dǎo)體的磁性來源帶來了很大困難。此外，DMSs多只在低電阻率時具有鐵磁性，當高電阻率較高時鐵磁性會減弱或者消失，這限制了材料實際應(yīng)用范圍。例如CN101483219A公開ー種Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其具有室溫鐵磁性，然而其電阻率較低，為10_2 Ω Xcm數(shù)量級。又，張春富等人通過計算表明Cr摻雜ZnO可能具有室溫以上的居里溫度和鐵磁性，并基于此設(shè)計了ー種Cr摻雜的ZnO納米線(Zn46Cr2O48)(物理學(xué)報Acta Phys. Sin. Vol.60，No. 12 (2011) 127503);CN101615467A公開ー種Cr摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料的制備方法，然而其沒有公開制備的材料Cr摻雜量。上述關(guān)于Cr摻雜ZnO的稀磁半導(dǎo)體材料都沒有公開材料的電阻率。因此，制備具有內(nèi)稟鐵磁性的電阻率可調(diào)的過渡金屬摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜仍然是DMSs領(lǐng)域的ー個難點。
關(guān)于ZnO薄膜的制備，目前主要有射頻磁控濺射(CN101615467A)、脈沖激光沉積(PLD) (CN101483219A)、分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和溶膠-凝膠(Sol-Gel)(CN101183607A)法等幾種方法。上述方法在薄膜制備方面各有優(yōu)缺點，與上述幾種制備方法相比，電感耦合等離子體增強物理氣相沉積(ICP-PVD)技術(shù)有許多優(yōu)點，如等離子體增強系統(tǒng)能夠使濺射出來的粒子離子化，増加粒子活性，促進分解或解離，提高離子化率和沉積速率，從而提高薄膜沉積的質(zhì)量；此外，該系統(tǒng)供氣系統(tǒng)簡單，制備過程中無毒性氣體使用和產(chǎn)生，能顯著減少環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容
面對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明g在提供一種高質(zhì)量、電阻率和載流子濃度可調(diào)、具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜以及ー種設(shè)備簡單、易操作能顯著減少環(huán)境污染的制備ZnO基薄膜的方法。
首先，本發(fā)明提供ー種具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其成份符合化學(xué)式Zni_x_yCrxGay0，其中O 彡x彡O. 03,0彡y彡0.03。摻雜Cr和/或鎵的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜具有室溫鐵磁性，而且具有在較大范圍(例如O. 31 QXcm 2.31 X IO4Ω Xcm)內(nèi)可調(diào)的電阻率，以及在較大范圍(例如6. 95 X IO13 3. 98 X IO19 cnT3)內(nèi)可調(diào)的電子濃度，可為自旋電子器件的研究和應(yīng)用提供良好的材料。在本發(fā)明中的一個優(yōu)選的實施方式中，O く X ^ O. 03，相對于未摻雜Cr的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜(即、Zn1TyCrxGayO, x=0),摻雜Cr可進ー步提高材料的電阻率。在本發(fā)明中的ー個更為優(yōu)選的實施方式中，O < X彡O. 03，且O <y彡0.03。該實施方式提供ー種Cr和Ga雙摻雜的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，可以獲得尤其合適的電阻率和電子濃度。在本發(fā)明ー個特別優(yōu)選的實施例中，x=0. 03，y=0. 03。該優(yōu)選實施例提供的Zna94Cratl3Gaatl3O的室溫電阻率為4. 42 Ω X cm，電子濃度為I. 53 X IO19 cm_3，電子霍爾遷移率為9. 25 X 10_2 Cm2V-1S^尤其適合用作制備自旋電子器件的材料。另ー方面，本發(fā)明還提供ー種上述具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，所述制備方法是以過渡金屬離子Cr和/或Ga施主摻雜的方式，采用電感耦合等離子體增強物理氣相沉積技術(shù)(ICP-PVD)，制得具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的方法，包括步驟(I)采用固相反應(yīng)合成エ藝制備Zni_x_yCrxGay0陶瓷靶材；步驟(2)將清潔干燥的襯底放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉積(ICP-PVD)系統(tǒng)的反應(yīng)室中，將電感耦合等離子體增強物理氣相沉積系統(tǒng)的本底抽真空至< 5 X 10_4 Pa，加熱襯底至300 500で，再將反應(yīng)室真空抽至彡5 X 10_4 Pa ;以及步驟(3)以高純氬氣或氬氣和氧氣的混合氣體作為濺射氣體，以所述Zni_x_yCrxGay0陶瓷靶作為濺射靶材，反應(yīng)室壓強為I 5 Pa，射頻濺射功率為100 200 W，襯底和靶材之間加負偏壓300 V，進行薄膜沉積得到所述具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜。本發(fā)明采用ICP-PVD法制備Cr和/或Ga摻雜的內(nèi)稟鐵磁性Zn基稀磁半導(dǎo)體薄膜，等離子體增強系統(tǒng)能夠使濺射出來的粒子離子化，増加粒子活性，促進分解或解離，提高離子化率和沉積速率，降低薄膜生長溫度，從而提高薄膜沉積的質(zhì)量；此外，本發(fā)明方法還具有設(shè)備簡單、易操作、制備過程中無毒性氣體使用和產(chǎn)生、能顯著減少環(huán)境污染、可實現(xiàn)大面積和規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點。本發(fā)明中，ICP-PVD技術(shù)可以使Cr均勻摻雜到ZnO晶格中，同時Ga的摻雜可以顯著提高ZnO薄膜中的載流子(電子)濃度，有效地調(diào)節(jié)Cr2+離子間的鐵磁交換，使所制備的薄膜電阻率和載流子濃度可調(diào)且具有室溫鐵磁性，為自旋電子器件的研究和應(yīng)用提供了良好的材料基礎(chǔ)。在本發(fā)明中，上述步驟(I)可包括按照Zn1IyCrxGayO中Zn、Cr和Ga的化學(xué)計量比稱取ZnO、Cr2O3和Ga2O3原料，混合后先預(yù)壓成型，然后以固相反應(yīng)法燒制得到所述ZnnyCrxGayO陶瓷靶材。其中，所述固相反應(yīng)法的燒制溫度為1000 1200°C，保溫時間至少24小吋。通過該方法可獲得ZnnyCrxGayO致密陶瓷靶材，提高制備的材料的質(zhì)量。又，在本發(fā)明中，所述Zn0、Cr203和Ga2O3原料均為高純原料，純度均彡99. 99%，所述濺射氣體的純度> 99.999%。采用高純原料可從源頭減少雜質(zhì)的帶入，采用高純?yōu)R射氣體可將環(huán)境帶入雜質(zhì)的影響降到最低，這均可進ー步提高制備的產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，在本發(fā)明中所用的襯底可采用Si、SiC、藍寶石或石英玻璃。


圖I示出ICP-PVD系統(tǒng)濺射裝置示意 圖2示出本發(fā)明的實施例I制備的Zna94Cratl3Gaatl3O薄膜樣品的室溫(300 K)磁滯回
線；
圖3示出本發(fā)明的實施例I制備Zna94Cratl3Gaatl3O薄膜樣品的XRD圖譜；
圖4示出本發(fā)明的實施例I制備Zna94Crcitl3Gaatl3O薄膜樣品的原子力顯微鏡圖片。
具體實施例方式參照說明書附圖，并結(jié)合下述實施方式進ー步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。本發(fā)明以過渡金屬離子Cr和/或Ga施主摻雜的方式，采用電感耦合等離子體增強物理氣相沉積技木，制備具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜。首先，采用高純Zn0、Cr203和Ga2O3作為原料固相反應(yīng)合成エ藝制備Zni_x_yCrxGay0陶瓷靶材按照ZnnyCrxGayO中Zn、Cr和Ga的化學(xué)計量比稱取高純(例如純度ミ99. 99%)ZnOXr2O3和Ga2O3原料；原料經(jīng)充分混合后，先預(yù)壓成型(例如20 MPa)，然后置于氣氛爐中逐步升溫至1000 1200°C，并保溫至少24小時制得Zn1^CrxGayO陶瓷靶材備用。清洗并干燥襯底，然后把潔干燥的襯底放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置的反應(yīng)室(ICP-PVD系統(tǒng)反應(yīng)室)中備用。在這里，襯底可選用但不限于Si、SiC、藍寶石或石英玻璃襯底。襯底的干燥可采用氮氣吹干的方式。ICP-PVD系統(tǒng)如圖I所示包括反應(yīng)室1，反應(yīng)室I中設(shè)置有產(chǎn)生約束磁場的射頻線圈2、設(shè)置在射頻線圈2外側(cè)的電磁場束縛單元3、靶材4和襯底偏壓單元5。射頻線圈I通過射頻匹配裝置6與射頻源7連接。射頻氣體(例如氬氣)從進氣ロ 8引入到反應(yīng)室I。反應(yīng)室I通過真空閥9與真空系統(tǒng)連接，通過調(diào)節(jié)真空閥9的開度調(diào)節(jié)反應(yīng)室I的真空度。靶材4位于反應(yīng)室I的底部。襯底偏壓單元5位于反應(yīng)室I的上部并與靶材4相對配置。 擋板10位于靶材4和襯底偏壓單元5之間。襯底偏壓單元5包括襯底架11、加熱裝置12和熱電偶13，襯底14放置在襯底架上并有加熱裝置12加熱。
將ICP-PVD系統(tǒng)的本底抽真空至彡5 X 10_4 Pa，加熱襯底至300 500°C，再將反應(yīng)室真空抽至< 5 X 10_4 Pa。然后以高純氬氣或氬氣和氧氣的混合氣體作為濺射氣體，以所述Zn1^CrxGayO陶瓷靶作為濺射靶材，反應(yīng)室壓強為I 5 Pa，射頻濺射功率為100 200 W，襯底和靶材之間加負偏壓-300 V，進行薄膜沉積得到具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO
基稀磁半導(dǎo)體薄膜。經(jīng)檢測，本發(fā)明制得的薄膜表現(xiàn)出室溫下的鐵磁性，而且具有在較大范圍(例如
O.31 Ω Xcm 2. 31 X IO4 Ω Xcm)內(nèi)可調(diào)的電阻率，以及在較大范圍(例如6. 95 X IO13 3.98 X IO19 cm_3)內(nèi)可調(diào)的電子濃度。此外，本發(fā)明制得的薄膜具有高度c軸擇優(yōu)取向，薄膜表面平整，結(jié)晶致密、晶粒大小均勻。下面進ー步例舉實施例以詳細說明本發(fā)明的示例合成エ藝。應(yīng)理解，下述實施例是為了更好地說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。采用的原料、試劑可以通過購買市售原料或傳統(tǒng)化學(xué)轉(zhuǎn)化方式合成制得。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件，·例如是《貝爾斯坦有機化學(xué)手冊》(化學(xué)エ業(yè)出版社，1996年)中的條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非特別說明，比例和百分比基于摩爾質(zhì)量。除非另有定義或說明，本文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員所熟悉的意義相同。此外任何與所記載內(nèi)容相似或等同的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。本發(fā)明的其他方面由于本文的公開內(nèi)容，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是容易理解的。實施例I
3% 摩爾 Cr 和 3% 摩爾 Ga 摻雜 ZnO 薄膜(Zna94Cratl3Gaatl3O)
(1)采用固相反應(yīng)合成エ藝制備Zn094Cr0. Q3Ga0.030革巴材以電子天平按Zn0 94Cr0.03Ga0.030的對應(yīng)元素的化學(xué)計量比稱取高純(彡99. 99%)的ZnO (47.1572 g)、Cr2O3 (1.4055 g)和Ga2O3 (I. 7332 g)，經(jīng)充分混合后，先預(yù)壓成型(20 MPa)，然后置于氣氛爐中逐步升溫至1100で，并保溫24小時；
(2)將石英玻璃襯底清洗，以N2吹干并放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置的反應(yīng)室中；
(3)將電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置系統(tǒng)的本底真空抽到<5X 10_4Pa，カロ熱襯底至450で，再將真空抽至4 X IO-4 Pa0所述電感耦合等離子體增強物理氣相沉積裝置系統(tǒng)，即如圖I所示的ICP-PVD系統(tǒng)；
(4)以高純(彡99.999%) Ar作為濺射氣體，反應(yīng)室壓強為2 Pa，射頻濺射功率為150W，襯底和靶材間加負偏壓300 V，進行薄膜沉積得到Zna94Crcitl3Gaatl3O薄膜。參見圖2 4，其示出實施例I制備的Zna94Crcitl3Gaatl3O薄膜的各個特征
參見圖2，其示出實施例I中Zna94Cratl3Gaa W薄膜樣品的室溫磁滯回線，薄膜表現(xiàn)出明
顯的鐵磁性的特征，矯頑力80 Oe,飽和磁化強度O. 87 emu/cm3 ；
參見圖3，其示出實施例I制備的Zna94Cratl3Gaatl3O薄膜樣品的XRD圖譜，圖中除ZnO
(002)衍射峰外沒有發(fā)現(xiàn)第二相對應(yīng)的衍射峰，所得薄膜結(jié)晶性良好并具有良好的c軸取向生長特性；
參見圖4，其示出實施例I制備的Zna 94Cr0.03Ga0.030薄膜樣品的原子力顯微鏡圖片，薄膜中晶顆粒排列致密、大小均勻，表面均方根粗燥度為2. 33 nm ；
此外，經(jīng)檢測實施例I制備的Zna94Cratl3Gaatl3O薄膜室溫電阻率為4. 42 Ω Xcm,電子濃度為I. 53 X IO19 cm_3，電子霍爾遷移率為9. 25 X 10_2 cn^V、—1，所得高質(zhì)量的薄膜具有很高的重復(fù)率。實施例2
3% 摩爾 Cr 摻雜 ZnO 薄膜(Zna97Cratl3O)
(1)采用固相反應(yīng)合成エ藝制備Zna97Crtltl3O靶材用電子天平按Zna97Cratl3O的對應(yīng)元素的化學(xué)計量比稱取高純O 99. 99%) ZnO (48.7404 g)和Cr2O3 (1.4078 g)，經(jīng)充分混合后，先預(yù)壓成型(20 MPa)，然后置于氣氛爐中逐步升溫至1200で，并保溫24小吋；
(2)將Si襯底清洗，以N2吹干并放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉積裝置的反應(yīng)室中。所述電感耦合等離子體增強物理氣相沉積裝置系統(tǒng)，即如圖I所示的ICP-PVD系統(tǒng)；
(3)將電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置系統(tǒng)的本底真空抽到<4 X 10_4Pa，カロ熱襯底至500で，再將系統(tǒng)真空抽至4 X 10_4Pa;
(4)以高純(彡99.999%) Ar和O2的混合氣體作為濺射氣體，反應(yīng)室壓強為2 Pa，O2分壓為O.OlPa，射頻濺射功率為100 W，襯底和靶材間加負偏壓300 V，進行薄膜沉積得到Zna97Cratl3O 薄膜。經(jīng)檢測，實施例2制得的Zna97Cratl3O薄膜表現(xiàn)出室溫下的鐵磁性，具有高度c軸擇優(yōu)取向，薄膜表面平整，結(jié)晶致密、晶粒大小均勻，表面均方根粗糙度為7. 14 nm。經(jīng)檢測，實施例2制得的Zna97Cratl3O薄膜室溫電阻率為2. 31 X IO4 ΩΧαιι，電子濃度為6. 95 X IO13 cm_3，電子霍爾遷移率為3. 94 cm、—1 s—1，該高質(zhì)量的薄膜具有很高的
重復(fù)率。實施例3
3% 摩爾 Ga 摻雜 ZnO 薄膜(Zna97Gaatl3O)
采用固相反應(yīng)合成エ藝制備Zna 97Ga0.030 以電子天平按Zna 97Ga0.030的對應(yīng)元素的化學(xué)計量比稱取高純(彡99. 99%)的ZnO、Cr2O3和Ga2O3，經(jīng)充分混合后，先預(yù)壓成型(20 MPa),然后置于氣氛爐中逐步升溫至1000で，并保溫36小吋；
(2)將SiC襯底清洗，以N2吹干并放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置的反應(yīng)室中;
(3)將電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置系統(tǒng)的本底真空抽到<4 X 10_4Pa，カロ熱襯底至300で，再將真空抽至4 X 10_4Pa。所述電感耦合等離子體增強物理氣相沉積裝置系統(tǒng)，即如圖I所示的ICP-PVD系統(tǒng)；
(4)以高純(彡99.999%) Ar和O2的混合氣體作為濺射氣體，反應(yīng)室壓強為I Pa，O2分壓為O. I Pa，射頻濺射功率為200 W，襯底和靶材間加負偏壓300 V，進行薄膜沉積得到Zna97Gaatl3O 薄膜。經(jīng)檢測，實施例3制得的Zna97Gaatl3O薄膜表現(xiàn)出室溫下的鐵磁性，具有高度c軸擇優(yōu)取向，薄膜表面平整，結(jié)晶致密、晶粒大小均勻。經(jīng)檢測，實施例3制得的Zna97Gaatl3O薄膜室溫電阻率為I. 33 X IO2 Ω Xcm，電子濃度為 3. 88 X IO17 CnT3。實施例4
1% 摩爾 Cr 和 1% 摩爾 Ga 摻雜 ZnO 薄膜(Zna98CratllGaaoiO)
(I)采用固相反應(yīng)合成エ藝制備Zn0 98Cr0.01Ga0.010革巴材以電子天平按Zn0 98Cr0.01Ga0.010的對應(yīng)元素的化學(xué)計量比稱取高純(> 99. 99%)的ZnOXr2O3和Ga2O3，經(jīng)充分混合后，先預(yù)壓成型(20 MPa)，然后置于氣氛爐中逐步升溫至1100で，并保溫24小吋；
(2)將藍寶石襯底清洗，以N2吹干并放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置的反應(yīng)室中；
(3)將電感耦合等離子體增強物理氣相沉裝置系統(tǒng)的本底真空抽到<5 X 10_4Pa，カロ熱襯底至450で，再將真空抽至4 X 10_4Pa。所述電感耦合等離子體增強物理氣相沉積裝置系統(tǒng)，即如圖I所示的ICP-PVD系統(tǒng)；
(4)以高純(彡99.999%)Ar作為濺射氣體，反應(yīng)室壓強為5Pa，射頻濺射功率為150W, 襯底和靶材間加負偏壓300 V，進行薄膜沉積得到Zna98CrcitllGaatllO薄膜。經(jīng)檢測，實施例4制得的Zna98CratllGaatllO薄膜表現(xiàn)出室溫下的鐵磁性，具有高度c軸擇優(yōu)取向，薄膜表面平整，結(jié)晶致密、晶粒大小均勻。經(jīng)檢測，實施例4制得的Zna98Cra Waa W薄膜室溫電阻率為O. 31 Ω Xcm，電子濃度為 3. 98 X IO19 cnT3。產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明提供具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜具有室溫鐵磁性，而且具有在較大范圍內(nèi)可調(diào)的電阻率，以及在較大范圍內(nèi)可調(diào)的電子濃度，可為自旋電子器件的研究和應(yīng)用提供良好的材料。本發(fā)明的方法制得的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜質(zhì)量高，而且所用設(shè)備簡單、易操作、制備過程中無毒性氣體使用和產(chǎn)生、能顯著減少環(huán)境污染、可實現(xiàn)大面積和規(guī)模化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其成份符合化學(xué)式Zni_x_yCrxGay0，其中 0 彡 X 彡 0. 03,0 ^ y ^ 0. 03。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，0^ X ^ 0. 03。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，0^ y ^ 0. 03。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，x=0. 03, y=0. 03。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任一項所述的具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，所述薄膜具有室溫鐵磁性，所述薄膜的電阻率在0.31 Q Xcm 2. 31 X IO4Q Xcm范圍內(nèi)可調(diào)，電子濃度在6. 95 X IO13 3. 98 X IO19 cnT3范圍內(nèi)可調(diào)。
6.一種權(quán)利要求I 5中任一項所述的具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，所述制備方法是以過渡金屬離子Cr和/或Ga施主摻雜的方式，采用電感耦合等離子體增強物理氣相沉積技術(shù)，制得具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的方法，包括 步驟(I)采用固相反應(yīng)合成工藝制備ZnnyCrxGayO陶瓷靶材； 步驟(2)將清潔干燥的襯底放入電感耦合等離子體增強物理氣相沉積系統(tǒng)的反應(yīng)室中，將電感耦合等離子體增強物理氣相沉積系統(tǒng)的本底抽真空至< 5 X 10_4 Pa，加熱襯底至300 500 °C，再將反應(yīng)室真空抽至彡5 X 10_4 Pa;以及 步驟(3)以高純氬氣或氬氣和氧氣的混合氣體作為濺射氣體，以所述Zn1IyCrxGayO陶瓷靶作為濺射靶材，反應(yīng)室壓強為I 5 Pa，射頻濺射功率為100 200 W，襯底和靶材之間加負偏壓300 V，進行薄膜沉積得到所述具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)包括按照Zn1^yCrxGayO中Zn、Cr和Ga的化學(xué)計量比稱取ZnO、Cr2O3和Ga2O3原料，混合后先預(yù)壓成型，然后以固相反應(yīng)法燒制得到所述Zn1IyCrxGayO陶瓷靶材。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述固相反應(yīng)法的燒制溫度為1000 1200 °C，保溫時間至少24小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述ZnO、Cr2O3和Ga2O3原料均為高純原料，純度均> 99. 99%，所述濺射氣體的純度> 99.999%。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述襯底為Si、SiC、藍寶石或石英玻璃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法，所述具有內(nèi)稟鐵磁性的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的成份符合化學(xué)式Zn1-x-yCrxGayO，其中0 ≤x≤0.03，0≤y≤0.03。摻雜Cr和/或鎵的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜具有室溫鐵磁性，而且具有在較大范圍內(nèi)可調(diào)的電阻率，以及在較大范圍內(nèi)可調(diào)的電子濃度，可為自旋電子器件的研究和應(yīng)用提供良好的材料。
文檔編號C23C14/34GK102676994SQ20121018534
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者劉學(xué)超, 卓世異, 孔海寬, 施爾畏, 楊建華, 熊澤 申請人:上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所