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制备 磁性 半导体 外延 薄膜的方法及其制品

阅读：703发布：2020-05-12

专利汇可以提供制备磁性半导体外延薄膜的方法及其制品专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种制备磁性半导体外延薄膜的方法及其制品，本发明的制备方法简单，易于实现，对InAs半导体衬底进行清洁处理，将Fe元素注入InAs半导体衬底或者还将Sn或者Zn元素注入，然后再进行脉冲激光退火，制得无掺杂或Sn/Zn掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；本发明科学应用离子注入结合脉冲激光退火将Sn\Zn元素成功进行掺杂改性，材料的磁性能呈现出明显的变化，所制备的磁性半导体外延薄膜具备明显的单晶外延结构，在居里温度下呈现明显的铁磁特性；经实验测试，本发明所制得的磁性半导体外延薄膜在5K温度下具备铁磁性且具备典型的单晶外延结构。，下面是制备磁性半导体外延薄膜的方法及其制品专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)清洁处理：对InAs半导体衬底进行清洁处理；
(2)将Fe元素注入InAs半导体衬底，得到(In,Fe)As非晶薄膜；
(3)对所述(In,Fe)As非晶薄膜进行脉冲激光退火，制得无掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；或者
将Sn或Zn元素注入(In,Fe)As非晶薄膜，然后进行脉冲激光退火，制得Sn/Zn掺杂的(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜。
2.根据权利要求1所述制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下步骤：
(1.1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡5～20分钟后取出在氮气中风干；
(1.2)将风干后的InAs半导体衬底置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢；
(1.3)清洗后取出后置于氮气中风干。
3.根据权利要求1所述的制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下步骤：
(2.1)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，关闭靶室舱门之后将靶室内气压抽真空至2×10-6Pa；
(2.2)将注入元素选定为Fe元素，并且将加速电压设定为50～200keV之间，将离子束反复扫描InAs半导体衬底位置使得Fe注入通量介于1×1014/cm2～5×1016/cm2之间，得到(In,Fe)As非晶薄膜。
4.根据权利要求1所述的制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下步骤：
(S1)将(In,Fe)As非晶薄膜继续置于真空靶室中；
(S2)设置脉冲激光器能量密度为0.2J/cm2，触发激光器并进行1个脉冲处理后自然冷却，取出衬底后即得到无掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜。
5.根据权利要求1所述的制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下步骤：
(s1)将(In,Fe)As非晶薄膜继续置于真空靶室中；
(s2)将注入元素选定为Sn或者Zn元素，并且将加速电压设定为50至200keV之间，将离子束反复扫描(In,Fe)As非晶薄膜使得Sn或Zn注入通量介于1×1014/cm2～5×1016/cm2之间，获得掺杂非晶薄膜半成品；
(s3)将掺杂非晶薄膜半成品置于脉冲激光退火设备的靶室中，设置脉冲激光器能量密度介于0.2～0.6J/cm2区间，触发脉冲激光器并进行1个脉冲处理；
(s4)待自然冷却取出，制得Sn/Zn掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜。
6.根据权利要求4或5所述的制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的脉冲激光器的波长为280nm～320nm。
7.根据权利要求4或5所述的制备磁性半导体外延薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的脉冲激光器单脉冲持续时间为25纳秒～32纳秒。
8.一种采用权利要求1-7中任意一项所述的制备磁性半导体外延薄膜的方法获得的磁性半导体外延薄膜制品。

说明书全文

制备磁性 半导体 外延 薄膜的方法及其制品

技术领域

[0001] 本发明涉及属于材料学技术领域，特别涉及一种制备磁性半导体外延薄膜的方法及其制品。

背景技术

[0002] 磁性半导体是一种新型磁性功能材料，它是通过利用半导体载流子与磁性元素之间的交换耦合从而实现电控磁的物理功能，在自旋电子器件领域具备巨大的应用前景。磁性半导体同时保留了磁性材料与半导体材料的双重特性，即磁性材料中非挥发性存储的特性与半导体材料中载流子浓度易于控制的特性。而磁性半导体材料中的磁性来源于载流子耦合的这一特性使其成为了自旋量子器件的理想载体：通过传统的方法例如调控栅极电压、引入自旋流等方式，其磁性能可以被自由调控，如磁矩、磁各向异性、居里温度等。由于磁性材料具有非挥发性特点，因此磁性半导体为基础的运算器件可以类似于硬盘在断电的情况下依然能够保持较长时间的逻辑状态。已经成熟运用于半导体器件中的类似于栅极调控等工艺可以高速、节能的对逻辑状态进行更改，从而避免了机械硬盘中的磁头易损等缺点，同时也延长了器件的使用寿命。同时，磁性半导体的材料本质决定了其能够兼容现有的产业化的半导体工艺，可大规模减少应用技术成本。因此，以磁性半导体为基础的自旋量子器件以其低能耗、高运算速度、兼容工业化半导体工艺等优点，有望成为未来颇具潜力的一种新的器件功能材料。而这一技术能否走出实验室，真正进入产业界发挥巨大能量，则关键在于以新的材料制备方法来寻找或改性新型磁性半导体材料。

[0003] 通过掺杂来寻找或改性磁性半导体材料已成为优化材料性能至关重要的一项手段。对于(In,Fe)As新型磁性半导体，一种能够适用于制备高质量外延磁性半导体薄膜且兼容于工业的方法已成为其被继续深入研究与未来应用的至关重要因素。由于Fe元素在InAs衬底中的溶解度极低(原子比10-2～10-4％)，因此传统的平衡态材料制备过程往往会使共掺杂的元素(Fe，Zn和Sn)发生条幅分解而析出第二相，因此无法满足制备外延薄膜的基本要求。而典型的非平衡态方法例如分子束外延等，虽然能够制备出高质量的外延磁性半导体薄膜却因低重复性与低生长速率而无法应用于工业化生产。研究表明，离子注入结合脉冲激光退火方法以其稳定的重复性，易于工业应用，对掺杂元素的选择灵活性等优点，在寻找或改性新型共掺杂磁性半导体材料(In,Fe)As方面具备巨大应用前景。

发明内容

[0004] 针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种制备磁性半导体外延薄膜的方法及其制品。所制得的磁性半导体外延薄膜在5K温度下具备铁磁性，并且具备典型的单晶外延结构。

[0005] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

[0006] 一种制备磁性半导体外延薄膜的方法，其包括以下步骤：

[0007] (1)清洁处理：对InAs半导体衬底进行清洁处理；所述步骤(1)具体包括以下步骤：(1.1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡5～20分钟后取出在氮气中风干；(1.2)将风干后的InAs半导体衬底置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢；(1.3)清洗后取出后置于氮气中风干；

[0008] (2)将Fe元素注入InAs半导体衬底，得到(In,Fe)As的非晶薄膜；所述步骤(2)具体包括以下步骤：(2.1)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，关闭靶室舱门之后将靶室内气压抽真空至2×10-6Pa；(2.2)将注入元素选定为Fe元素，并且将加速电压设定为50～200keV之间，将离子束反复扫描InAs半导体衬底位置使得Fe注14 2 16 2
入通量介于1×10 /cm～5×10 /cm之间，得到(In,Fe)As非晶薄膜；

[0009] (3)对所述(In,Fe)As非晶薄膜进行脉冲激光退火，制得无掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；具体的，包括以下步骤：(S1)将(In,Fe)As非晶薄膜继续置于真空靶室中；(S2)设置脉冲激光器能量密度为0.2J/cm2，触发激光器并进行1个脉冲处理后自然冷却，取出衬底后即得到无掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；或者

[0010] 将Sn或Zn元素注入(In,Fe)As非晶薄膜，然后进行脉冲激光退火，制得Sn/Zn掺杂的(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜；具体的，包括以下步骤：(s1)将(In,Fe)As非晶薄膜继续置于真空靶室中；(s2)将注入元素选定为Sn或者Zn元素，并且将加速电压设定为50至14 2
200keV之间，将离子束反复扫描(In,Fe)As非晶薄膜使得Sn或Zn注入通量介于1×10 /cm～5×1016/cm2之间，获得掺杂非晶薄膜半成品；(s3)将掺杂非晶薄膜半成品置于脉冲激光退火设备的靶室中，设置脉冲激光器能量密度介于0.2～0.6J/cm2区间，触发脉冲激光器并进行1个脉冲处理；(s4)待自然冷却取出，制得Sn/Zn掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜。

[0011] 一种采用上述的制备磁性半导体外延薄膜的方法获得的磁性半导体外延薄膜制品。

[0012] 本发明的磁性半导体外延薄膜制品，在5K下具备铁磁性，并且具备单晶外延结构。

[0013] 本发明的有益效果为：本发明提供的制备方法简单，易于实现，科学应用离子注入结合脉冲激光退火将Sn\Zn元素成功进行掺杂改性，材料的磁性能呈现出明显的变化，所制备的磁性半导体外延薄膜具备明显的单晶外延结构，在居里温度下呈现明显的铁磁特性。

[0014] 下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

[0015] 图1为本发明磁性半导体外延薄膜的透射电镜结果图。

[0016] 图2为(In,Fe)As及其Sn/Zn掺杂外延薄膜在2T 磁场、5K温度下的XMCD图谱。

[0017] 图3为(In,Fe)As及其Sn/Zn掺杂外延薄膜的SQUID测试结果。

具体实施方式

[0018] 实施例1：

[0019] 本实施例提供的一种Sn掺杂(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜的制备方法，包括以下步骤：

[0020] (1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡10分钟后取出，在氮气中风干并继续置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0021] (2)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，关闭靶室舱门之后将靶室内气压抽真空至2×10-6Pa，将注入元素选定为Fe元素，并且将加速电压设定为100keV，将离子束反复扫描InAs半导体衬底位置使得Fe注入通量为1×1016/cm2，得到(In,Fe)As非晶薄膜；

[0022] (3)将(In,Fe)As非晶薄膜继续置于真空靶室中，将注入元素选定为Sn元素，并且将加速电压设定为100keV，将离子束反复扫描(In,Fe)As非晶薄膜位置使得Sn注入通量为1×1016/cm2；

[0023] (4)将Fe与Sn共注入后的(In,Fe)As非晶薄膜置于冲激光退火设备靶室中，设置脉冲激光器能量密度为0.2J/cm2，触发脉冲激光器并进行1个脉冲处理后自然冷却，取出即得到Sn掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；

[0024] 本实施例制备的Sn掺杂(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜，在5K温度范围内具有铁磁性且具备单晶外延结构。

[0025] 实施例2：

[0026] 本实施例提供的一种Zn掺杂(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜的制备方法，包括以下步骤：

[0027] (1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡10分钟后取出，在氮气中风干并继续置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0028] (2)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，关闭靶室舱门之后将靶室内气压抽真空至2×10-6Pa，将注入元素选定为Fe元素，并且将加速电压设定为100keV，将离子束反复扫描InAs半导体衬底位置使得Fe注入通量为1×1016/cm2，得到(In,Fe)As非晶薄膜；

[0029] (3)将(In,Fe)As非晶薄膜继续置于真空靶室中，将注入元素选定为Zn元素，并且将加速电压设定为100keV，将离子束反复扫描(In,Fe)As非晶薄膜位置使得Zn注入通量为1×1016/cm2；

[0030] (4)将Fe与Zn共注入后的(In,Fe)As非晶薄膜置于冲激光退火设备靶室中，设置脉冲激光器能量密度为0.2J/cm2，触发脉冲激光器并进行1个脉冲处理后自然冷却，取出即得到Zn掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；

[0031] 本实施例制备的Zn掺杂(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜，在5K温度下具有铁磁性且具备单晶外延结构。

[0032] 实施例3：

[0033] 本实施例提供的一种无掺杂(In,Fe)As的磁性半导体外延薄膜的制备方法，包括以下步骤：

[0034] (1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡10分钟后取出，在氮气中风干并继续置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；

[0035] (2)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，关闭靶室舱门之后将靶室内气压抽真空至2×10-6Pa，将注入元素选定为Fe元素，并且将加速电16 2
压设定为100keV，将离子束反复扫描InAs半导体衬底位置使得Fe注入通量为1×10 /cm ，得到(In,Fe)As非晶薄膜；

[0036] (3)将(In,Fe)As非晶薄膜置于冲激光退火设备靶室中，设置脉冲激光器能量密度为0.2J/cm2，触发脉冲激光器并进行1个脉冲处理后自然冷却，取出后即得到无掺杂的(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜；

[0037] 本实施例制备的无掺杂(In,Fe)As磁性半导体外延薄膜，在5K温度下具有铁磁性且具备单晶外延结构。

[0038] 以上所述，仅是本发明的一较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制。故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

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