專利名稱：N<sub>2</sub>O摻雜p型Zn<sub>1-x</sub>Co<sub>x</sub>O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(zhǎng)方法，尤其是N20摻雜 生長(zhǎng)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(guò)改變磁性雜質(zhì)濃度和外磁場(chǎng) 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(shí)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(lái)制備 各種超低能量消耗高密度的信息存儲(chǔ)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(guò)物理或化學(xué)制備方法引入過(guò)渡金屬(TM)離子取代鋅離子(Zn)實(shí)現(xiàn)其磁 性，因?yàn)門(mén)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(guò)電子(空穴) 調(diào)節(jié)的自旋耦合交換作用可能是其磁性來(lái)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(kāi)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(bào)道， 但尚無(wú)制備p型ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的報(bào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長(zhǎng)室中，保持靶材與襯底之間的距離為4 6cm，生長(zhǎng)室真空度至少抽至l(T3Pa，襯 底加熱升溫到300 700。C,生長(zhǎng)室通入N20氣體，控制壓強(qiáng)為2 15Pa，開(kāi)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(shuō)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(jiǎn)單，p型摻雜濃度可以通過(guò)調(diào)節(jié)N20氣體壓強(qiáng)來(lái)控制；2) 在Zm-xC0xO晶體薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)受主N的實(shí)時(shí)摻雜；3) 本發(fā)明生長(zhǎng)的N20摻雜p型Zni.xCoxO稀磁半導(dǎo)體薄膜同時(shí)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(zhǎng)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1以玻璃為襯底生長(zhǎng)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(gè)小時(shí)，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(lái)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(shí)，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(guò)清洗后固定在樣品臺(tái)上，放入生長(zhǎng) 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(kāi)。生長(zhǎng)室 真空度抽至2xl(^Pa，襯底加熱至薄膜生長(zhǎng)溫度500'C，通入N20氣體，壓強(qiáng) 控制在15Pa。開(kāi)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(kāi)擋板，沉積薄膜。沉積過(guò)程中襯底和耙材低速 旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性。沉積時(shí)間為40min，薄膜厚約為200nm。生長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長(zhǎng)室 中，保持靶材與襯底之間的距離為4 6cm，生長(zhǎng)室真空度至少抽至l(^Pa，襯 底加熱升溫到300 70(TC，生長(zhǎng)室通入N20氣體，控制壓強(qiáng)為2 15Pa，開(kāi)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(shuō)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N<sub>2</sub>O摻雜生長(zhǎng)p型Zn<sub>1-x</sub>Co<sub>x</sub>O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、Co<sub>2</sub>O<sub>3</sub>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(zhǎng)室中，生長(zhǎng)室抽真空，在壓強(qiáng)為2～15Pa的N<sub>2</sub>O氣氛下生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為300～700℃。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，p型摻雜濃度可以通過(guò)調(diào)節(jié)N<sub>2</sub>O氣體壓強(qiáng)來(lái)控制；本方法制得的p型Zn<sub>1-x</sub>Co<sub>x</sub>O稀磁半導(dǎo)體薄膜同時(shí)具有半導(dǎo)體的性能及磁學(xué)性能。載流子濃度為10<sup>15</sup>～10<sup>18</sup>cm<sup>-3</sup>。
文檔編號(hào)H01L43/00GK101235457SQ200810059939
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué)