專利名稱：單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管及其制備方法，屬于信息技 術(shù)自旋電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代電子科學(xué)和技術(shù)極大的改變了人們的工作和生活方式，無與倫比地推動了人類文 明發(fā)展的進(jìn)程，20世紀(jì)最偉大的成就之一就是微電子學(xué)及其應(yīng)用。但是現(xiàn)在半導(dǎo)體硅(Si) 工藝發(fā)展到納米尺度，在進(jìn)一步提高運(yùn)算速率、減少功耗方面遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。基 于已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的硅半導(dǎo)體材料的磁性半導(dǎo)體一直是人們的第一選擇，但是硅很容易 與過渡族元素形成化合物，國際上經(jīng)過大量的研發(fā)工作也未能得到所需要的穩(wěn)定的高溫硅 基磁性半導(dǎo)體材料。為解決該難題，研究者們將希望寄托在具有強(qiáng)的自旋、電荷、以及軌 道耦合的新型自旋電子學(xué)器件上，并深入開展了廣泛的研究。與常規(guī)半導(dǎo)體器件相比，半 導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件的優(yōu)點(diǎn)主要包括1，更低的功耗；2,更高的集成度；3，更高的運(yùn) 算速率等等。氧化物以及鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的p-n結(jié)一度成為人們研究的熱點(diǎn)。好的整流效應(yīng)、
大的磁電阻以及外場可調(diào)控的性能都已有文獻(xiàn)報道(Tanaka, H. et al. Phys. Rev. Lett. 88, 027204 (2002); Sun, J. R. et al. Appl. Phys. Lett. 86, 053503 (2005); Mitra， C. et al. Phys. Rev. Lett. 90, 017202 (2003).)。但是上述p-n結(jié)在應(yīng)用方面有兩個難題1)不能與硅半導(dǎo)體工 藝相匹配；2)磁電阻通常都只是在低溫下存在，不能滿足自旋電子器件實(shí)際應(yīng)用的要求。 最近研究者對鍺基磁性半導(dǎo)體的做了一些探索性的研究，因?yàn)橐环矫骀N跟硅能較好的 匹配，另一方面鍺的載流子遷移率遠(yuǎn)大于硅，在高速運(yùn)算器件方面有更大的優(yōu)勢。Jamet 等人已發(fā)現(xiàn)Ge^Mnn磁性半導(dǎo)體居里溫度可以高達(dá)室溫(Jamet， M. et al. Ato. M加m 5,653 (2006))。但是，除我們的工作之外，目前為止還沒有整流特性可用磁場調(diào)控的單晶鍺錳磁 性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在室溫下整流特性可用磁場大幅度 調(diào)控的、與硅半導(dǎo)體工藝相匹配的單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管及其制備方法。
技術(shù)術(shù)語說明
正向偏壓從p型Gei-xMnx磁性半導(dǎo)體到Ge的電壓。 正磁電阻電阻隨磁場的增大而增大。
磁性異質(zhì)結(jié)基于鐵磁半導(dǎo)體和非磁半導(dǎo)體材料形成的異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性，質(zhì)結(jié)二極管，p型層為單晶Ge^M^鐵磁半導(dǎo)體， 錳的摩爾百分比含量x為0<x<15%; Ge層為商業(yè)的本征的單晶半導(dǎo)體Ge或微量Sb摻 雜的n型單晶半導(dǎo)體Ge，其室溫下的整流特性可用磁場調(diào)控，磁電阻在Ge^Mnx居里溫 度附近有極值，顯示其輸運(yùn)與Gei-xMnx磁性半導(dǎo)體密切相關(guān)，其制備工藝與硅半導(dǎo)體制備 工藝相匹配。
上述單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管的制備方法是用分子束外延法，具體方
法如下
1) 將單晶鍺襯底清洗后，連同掩模一同放入分子束外延生長室，控制生長室本底真
空度不低于7.5x10—1()mbar;
2) 襯底在上述真空環(huán)境中，保持450。C退火1小時，去除Ge表面原有的氧化層；
3) 將襯底溫度降到70。C，同時打開高純Ge和高純Mn金屬蒸發(fā)源，采用共蒸發(fā)的方 式開始慘雜外延生長單晶Ge^Mnx鐵磁半導(dǎo)體，高純Ge和高純Mn的純度在99.99%以上；
4) 通過調(diào)整Ge和Mn的生長速率，控制樣品中Mn的含量不高于15%， Ge"Mrix鐵 磁半導(dǎo)體的生長速率為3 4A/min， Gei-xMnx鐵磁半導(dǎo)體的厚度通過濺射時間控制，其厚 度在10 500nm之間，Ge^Mnx鐵磁半導(dǎo)體生長結(jié)束；
5) Ge^Mnx鐵磁半導(dǎo)體生長結(jié)束后，再在Ge^Mnx鐵磁半導(dǎo)體上生長2nm-10nm的 Ge保護(hù)層，避免樣品被氧化。
該系列Ge^Mnx/Ge磁異質(zhì)結(jié)具有很好的整流特性，在室溫下整流特性可用磁場大幅 度調(diào)控，而且整流特性不同的磁異質(zhì)結(jié)還可以通過在制備過程中改變異質(zhì)結(jié)界面處載流子 的濃度來調(diào)控。
本發(fā)明電輸運(yùn)性質(zhì)可調(diào)控的、具有室溫巨磁電阻、與硅半導(dǎo)體工藝可匹配的單晶 Gei.xMnx/Ge磁異質(zhì)結(jié)二極管，其本身可直接作為新型二極管應(yīng)用，還可能在一些多功能 器件，如自旋閥晶體管、無揮發(fā)記憶元件、超快開關(guān)等方面具有潛在的應(yīng)用價值。


圖l(a)Ge,MnoWSb慘雜n型Ge磁異質(zhì)結(jié)二極管、(b)Ge,Mno.o5/Ga摻雜p型Ge 磁異質(zhì)結(jié)二極管和(c)Geo.95Mno.o5/本征Ge磁異質(zhì)結(jié)二極管不同外磁場下的電流-電壓曲線， 測量溫度200K。
圖2是實(shí)施例Geo.9sMnoW本征Ge磁異質(zhì)結(jié)不同測量電流時磁電阻曲線，測量溫度 200K。
圖3是實(shí)施例Geo.95Mnao5/本征Ge磁異質(zhì)結(jié)+2V偏壓6特斯拉外場下磁電阻大小隨溫 度的變化曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例
單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管，p型層為單晶Gei.xMnx鐵磁半導(dǎo)體，錳 的摩爾百分比含量x為5%;襯底為商業(yè)的摻Sb的n型Ge(001)單晶襯底、未摻雜的Ge(OOl) 單晶襯底以及摻Ga的p型Ge(001)單晶襯底。選擇不同的襯底是希望二極管的電輸運(yùn)特
性會隨著不同襯底下載流子濃度不同而改變。
上述單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管的制備方法是用分子束外延結(jié)合掩模
法，具體方法如下
1) 將單晶鍺襯底按去離子水、酒精和去離子水的順序分別超聲清洗五分鐘，其目的 是為了去除襯底表面的灰塵、油污和(Je的部分氧化物；然后，連同掩模一同放入分子束
外延生長室，生長室本底真空度不低于7.5x10—1Qmbar;
2) 襯底在上述真空環(huán)境中，保持450。C退火1小時，去除Ge表面原有的氧化層；明 晰的(2xl)重構(gòu)的高能電子衍射圖表明襯底表面比較平整，結(jié)晶質(zhì)量比較好；
3) 將襯底溫度降到70 。C，同時打開高純Ge和高純Mn金屬蒸發(fā)源，采用共蒸發(fā)的 方式開始摻雜外延生長單晶Gei.xMnx鐵磁半導(dǎo)體，高純Ge和高純Mn的純度分別為 99.999%和99.998%;
4) 通過調(diào)整Ge和Mn的生長速率，控制樣品中Mn的含量為5%， Geo.95Mno.。5鐵磁 半導(dǎo)體的生長速率為3.5A/min， Geo.95Mno.M鐵磁半導(dǎo)體的濺射時間為2.4小時，其厚度為 50nm;
5) Geo.95Mno.o5鐵磁半導(dǎo)體生長結(jié)束后，再在Ge0.95Mna()5上生長2腦的Ge保護(hù)層，
避免樣品被氧化。
圖1給出了實(shí)施例中p型Geo.95Mno.o5鐵磁半導(dǎo)體在不同Ge襯底上形成磁性異質(zhì)結(jié)二 極管200K、不同外磁場下的I-V曲線。圖l(a)中還給出了樣品結(jié)構(gòu)的示意圖。可以看出 Ge,MnaQ5/Ge磁異質(zhì)結(jié)都具有很好的整流特性。圖l(c)顯示p型Ge^Mn^s鐵磁半導(dǎo)體 與本征鍺形成的Gea95Mno.os/本征Ge磁異質(zhì)結(jié)電阻隨外磁場的增大迅速增大，即有明顯的 正磁電阻效應(yīng)。
圖2進(jìn)一步給出了 Geo,9sMn,體征Ge磁異質(zhì)結(jié)二極管200K下不同測量電流時磁電 阻曲線，可以看出測量電流越大，磁電阻越大。
圖3給出Geo.95Mno.o5/本征Ge磁異質(zhì)結(jié)+2V偏壓6特斯拉外場下磁電阻大小隨溫度的 變化曲線。結(jié)果表明該磁異質(zhì)結(jié)在室溫下仍有440%的磁電阻，使得其可以在室溫自旋電 子器件方面得到應(yīng)用。而且，磁電阻在Geo,95Mno.。5居里溫度225K附近有極大值，表明輸 運(yùn)與Geo.95Mno.o5磁性半導(dǎo)體有密切的關(guān)聯(lián)。
權(quán)利要求
1、一種單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管，其特征在于，p型層為單晶Ge1-xMnx鐵磁半導(dǎo)體，錳的摩爾百分比含量x為0＜x＜15％；Ge層為商業(yè)的本征的單晶半導(dǎo)體Ge或微量Sb摻雜的n型單晶半導(dǎo)體Ge，其室溫下的整流特性可用磁場調(diào)控，磁電阻在Ge1-xMnx居里溫度附近有極值，顯示其輸運(yùn)與Ge1-xMnx磁性半導(dǎo)體密切相關(guān)，其制備工藝與硅半導(dǎo)體制備工藝相匹配。
2、 權(quán)利要求1所述的單晶鍺錳磁性半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管的制備方法，其特征 在于，用分子束外延結(jié)合掩模法、光刻法或電子束刻蝕工藝制備，具體方法如下1) 將單晶鍺襯底清洗后，連同掩模一同放入分子束外延生長室，控制生長室本底真空度不低于7.5x10—1Gmbar;2) 襯底在上述真空環(huán)境中，保持450。C退火1小時，去除Ge表面原有的氧化層；3) 將襯底溫度降到70 。C，同時打開高純Ge和高純Mn金屬蒸發(fā)源，采用共蒸發(fā)的 方式開始摻雜外延生長單晶Gei.xMnx鐵磁半導(dǎo)體，高純Ge和高純Mn的純度在99.99% 以上；4) 通過調(diào)整Ge和Mn的生長速率，控制樣品中Mn的含量不高于15%， Gei-xMnx鐵 磁半導(dǎo)體的生長速率為3 4A/min， Gei.xMnx鐵磁半導(dǎo)體的厚度通過濺射時間控制，其厚 度在10 500nm之間，Gei.xMnx鐵磁半導(dǎo)體生長結(jié)束；5) Gei.xMnx鐵磁半導(dǎo)體生長結(jié)束后，再在Ge^Mnx鐵磁半導(dǎo)體上生長2nm-10nm的 Ge保護(hù)層，避免樣品被氧化。
全文摘要
單晶鍺錳鐵磁半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管及其制備方法，屬于信息技術(shù)自旋電子器件技術(shù)領(lǐng)域。異質(zhì)結(jié)二極管的p型層為單晶Ge_1-xMn_x鐵磁半導(dǎo)體，錳的摩爾百分比含量x為0＜x＜15％；Ge層為商業(yè)的本征的單晶半導(dǎo)體Ge或微量Sb摻雜的n型單晶半導(dǎo)體Ge，其室溫下的整流特性可用磁場調(diào)控，磁電阻在Ge_1-xMn_x居里溫度附近有極值，顯示其輸運(yùn)與Ge_1-xMn_x磁性半導(dǎo)體密切相關(guān)，其制備工藝與硅半導(dǎo)體制備工藝相匹配。利用分子束外延在單晶鍺襯底上通過共蒸發(fā)的方式外延生長鍺錳磁性半導(dǎo)體制備單晶鍺錳鐵磁半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管。且本發(fā)明方法制備的單晶鍺錳鐵磁半導(dǎo)體/鍺磁性異質(zhì)結(jié)二極管可以與現(xiàn)代半導(dǎo)體硅工藝很好的匹配，因此在自旋電子器件方面具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L29/96GK101615634SQ20091001719
公開日2009年12月30日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者劉國磊, 梅良模, 田玉峰, 鄧江峽, 陳延學(xué), 顏世申 申請人:山東大學(xué)