專利名稱：一種具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料，屬于半導(dǎo)體磁性納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著納米技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了ー個(gè)橫跨半導(dǎo)體和磁性材料的新型研究方向ー自旋電子學(xué)。在自旋電子學(xué)中，電子是自旋的載體，可利用自旋進(jìn)行信息的儲(chǔ)存和傳輸。研究結(jié)果表明，磁性半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)高效率的自旋注入。但是，由于磁性元素本身在半導(dǎo)體的固溶 度不高，往往會(huì)有磁性雜質(zhì)的析出，而且磁性元素的摻雜容易形成第二相，因此不進(jìn)行任何摻雜的純半導(dǎo)體的鐵磁性研究引起了研究者的興趣。目前這方面的研究主要集中在納米結(jié)構(gòu)氧化物寬帶隙半導(dǎo)體，如ZnO，HfO, TiO2等。IV族納米半導(dǎo)體可以與成熟的Siエ藝技術(shù)兼容，使其備受關(guān)注。其中，碳各種形態(tài)的鐵磁性研究最多，關(guān)于Si、Ge的磁性報(bào)道還不多見(jiàn)。Ge具有高的載流子遷移率，并且Ge的玻爾半徑為17-24 nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Si的玻爾半徑(5 nm)，因此Ge的量子限制效應(yīng)比Si的更為明顯。由于Ge的各種優(yōu)點(diǎn)，人們已經(jīng)開(kāi)始研究Ge納米結(jié)構(gòu)的磁性，并試圖將其應(yīng)用于新型自旋電子學(xué)器件。2007年，Liou在Ge納米結(jié)構(gòu)中觀察到了室溫鐵磁性(參考文獻(xiàn)Liou Y，Su P W，Shen Y L. Appl Phys Lett, 2007,90(18) :182508(1-3))。作者使用熱蒸發(fā)的方法在聚苯こ烯(PS)微球上蒸鍍了不同厚度的Ge層。測(cè)試發(fā)現(xiàn)Ge層的厚度和PS微球的尺寸影響Ge納米結(jié)構(gòu)的磁化強(qiáng)度。但PS球直徑直接影響其磁性的強(qiáng)弱，而且PS并不與Siエ藝兼容，此外，熱蒸發(fā)的方法不能很好的控制膜的厚度，這在很大范圍上限制了材料的實(shí)際應(yīng)用。研究者還用惰性氣體凝結(jié)(IGC)的方法制備了 Ge納米顆粒,并觀察到了鐵磁性(參考文獻(xiàn)I. Liou Y, Shen Y L. Adv Mater,2008,20 :779-783 ；參考文獻(xiàn) 2. Liou Y, Lee M S，You K L. Appl Phys Lett, 2007,91(8) :082505(1-3) )。Ge納米顆粒的尺寸和密度影響樣品的磁化強(qiáng)度。在Ge納米顆粒上増加覆蓋層可以增強(qiáng)樣品的磁化強(qiáng)度。但是，Ge納米顆粒應(yīng)用于器件涉及到顆粒的粘附等，具有一定的局限性，因此其應(yīng)用受到一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料，實(shí)現(xiàn)了將自旋電子學(xué)器件在Si、Ge半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是這樣的ー種具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料，其表達(dá)式為[Gex-(SiN)y]z，式中，X、y、z分別表示Ge層厚度、SiN層厚度和循環(huán)濺射Ge和 SiN 薄膜的次數(shù),其中，3 nm ^ X ^ 10 nm, 4 nm ^ y ^ 16 nm, 3 ^ z ^ 12 (z 取整數(shù))。本發(fā)明給出的復(fù)合薄膜材料的膜厚和循環(huán)濺射Ge和SiN的次數(shù)是基于以下原理確定的由于SiN和Ge的禁帶寬度不同，改變SiN每層厚度和周期，也就改變了晶格勢(shì)場(chǎng)，使載流子行為不同于塊體Ge或SiN材料；對(duì)于Ge納米材料，當(dāng)它的尺寸小于玻爾半徑17nm吋，由于量子限制效應(yīng)，宏觀的準(zhǔn)連續(xù)能帶轉(zhuǎn)變?yōu)榉至⒌哪芗?jí)，并且自旋也分裂為不成對(duì)自旋。SiN基質(zhì)將Ge層隔離，避免Ge的大顆粒團(tuán)聚。當(dāng)SiN為12 nm時(shí)，鄰近勢(shì)阱波函數(shù)作用使得Ge粒子可以通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘進(jìn)行耦合。當(dāng)SiN基質(zhì)厚度較小(小于12 nm)時(shí)，鄰近Ge層間顆粒團(tuán)聚，類似于塊材Ge，磁性減弱或消失。當(dāng)SiN基質(zhì)形成的壘寬足夠?qū)?，大?2 nm時(shí)，鄰近勢(shì)阱形成獨(dú)立勢(shì)阱，將粒子限制在阱中，因此產(chǎn)生的耦合效應(yīng)減弱，減小了磁矩；當(dāng)Ge層太薄(〈3 nm)時(shí),納米Ge間的稱合效應(yīng)較弱，當(dāng)Ge層太厚時(shí)(>10 nm),類似于體材料，不成對(duì)自旋數(shù)目減少，磁信號(hào)也明顯下降。由于疊加效應(yīng)，増加樣品的周期可以增加總波函數(shù)的強(qiáng)度，最終得到具有鐵磁性的Ge-SiN多層薄膜材料。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)SiN總厚度為48 nm,即<z=48,當(dāng)x=5 nm, y=12 nm, z=4時(shí),樣品的飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，為2. 90 emu/cm3,剰余磁化強(qiáng)度和矯頑カ也達(dá)到最大，分別為O. 40emu/cm3 和 189. 82 Oe。本發(fā)明提供的具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料的制備方法包括如下步驟
(O選取單晶Si (100)作為基片，基片清洗過(guò)程丙酮溶液浸泡并用超聲波清洗10min ;去離子水沖洗，酒精浸泡并用超聲波清洗10 min ;去離子水沖洗，稀釋的30%的HF中浸泡I min ;去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑逑磸氐?，避免磁性雜質(zhì)的干擾。(2)采用公知的射頻濺射方法在已清洗的Si基片上進(jìn)行Ge膜的生長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)Ar (99. 999%)氣的氣體流量，使濺射氣壓為2.0 Pa，并且保持濺射功率為160 W ；
(3)在射頻濺射過(guò)程中，當(dāng)Ge膜的厚度達(dá)到設(shè)定厚度時(shí)，更換SiN靶進(jìn)行濺射，保持濺射氣壓2. O Pa，濺射功率為160 W ；
(4)在射頻濺射過(guò)程中，當(dāng)SiN的厚度達(dá)到設(shè)定厚度時(shí)，更換Ge靶進(jìn)行濺射，保持濺射氣壓2. O Pa，濺射功率為160 W ；
重復(fù)以上(2) (3) (4)操作，循環(huán)濺射Ge和SiN薄膜，循環(huán)濺射次數(shù) 3彡z彡12 (z取整數(shù))。本發(fā)明根據(jù)薄膜材料中單層Ge和SiN的厚度，以及循環(huán)濺射Ge和SiN的次數(shù)的不同，分為四系列，試樣及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表I，表2，表3和表4所示。表I第一系列的Ge-SiN薄膜材料的具體制備條件及測(cè)試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料，其特征在于其化學(xué)式為[Gex-(SiN)y]z，式中，X、y、Z分別表示Ge層厚度、SiN層厚度和循環(huán)濺射Ge和SiN薄膜的次數(shù)，其中，3 nm ^ X ^ 10 nm, 4 nm ^ y ^ 16 nm, 3 ^ z ^ 12 (z 取整數(shù))。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料，其特征在于x=5nm, y=12 nm, z=4。
3.一種制備如權(quán)利要求I所述的具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料的方法，其特征在于包括以下步驟 (O選取單晶Si (100)作為基片，基片清洗過(guò)程丙酮溶液浸泡并用超聲波清洗10min ;去離子水沖洗，酒精浸泡并用超聲波清洗10 min ;去離子水沖洗，稀釋的30%的HF中浸泡I min ;去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑? (2)采用公知的射頻濺射的方法在已清洗的基片上進(jìn)行Ge膜的生長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)Ar(99. 999%)氣的氣體流量，使濺射氣壓為2. O Pa，并且保持濺射功率為160 W ； (3)在射頻濺射過(guò)程中，當(dāng)Ge膜的厚度達(dá)到設(shè)定厚度時(shí)，更換SiN靶進(jìn)行濺射，保持濺射氣壓2. O Pa，濺射功率為160 W ； (4)在射頻濺射過(guò)程中，當(dāng)SiN的厚度達(dá)到設(shè)定厚度時(shí)，更換Ge靶進(jìn)行濺射，保持濺射氣壓2. O Pa，濺射功率為160 W ； 重復(fù)以上(2)，(3)，(4)操作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有室溫鐵磁性的Ge-SiN復(fù)合薄膜材料，其化學(xué)式為[Gex-(SiN)y]z，式中，x、y、z分別表示Ge層厚度、SiN層厚度和循環(huán)濺射Ge和SiN薄膜的次數(shù)，其中，3nm≤x≤10nm，4nm≤y≤16nm，3≤z≤12(z取整數(shù))。其制備方法是采用量子限制效應(yīng)原理制備多層膜使材料具有磁性。即射頻循環(huán)濺射Ge和SiN。本發(fā)明與成熟的半導(dǎo)體工藝兼容，制備工藝簡(jiǎn)單。該復(fù)合薄膜材料在新型磁存儲(chǔ)器、微型自旋電子學(xué)器件等方面都有潛在的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01F10/193GK102832009SQ20121035465
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月23日
發(fā)明者甄聰棉, 劉秀敏, 劉淵博, 馬麗, 侯登錄 申請(qǐng)人:河北師范大學(xué)