[发明专利]一种GaN基自旋发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于自旋电子学领域，涉及一种基于ITO磁性电极技术制备的自旋发光二极管(Spin-LED)。

背景技术

自旋电子器件具有消耗少、速度快、非挥发性、高集成密度等优点，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景。因此自旋电子学领域有望在下一代电子器件的发展中扮演着重要的角色。

稀磁半导体(DMS)是自旋电子学领域中的重要材料。但是传统的DMS，例如GaMnAs，由于居里温度较低，限制了室温下工作器件的应用。自从2000年T.Dietl等人用平均场近似的Zenner模型([1]T.Dietl，H.Ohno，et al.，Science Vol.287，1019(2000))预言GaMnN等稀磁半导体材料其居里温度可以超过室温，此后GaN基稀磁半导体材料进入了研究热潮。同时，GaN基半导体发光二极管作为第三代半导体材料的照明光源在室内照明、平板显示、短程通信到计算机内光互连等各方面具有广泛的应用，是节约能源、利于环保和实现人类固态照明革命的关键性光源。因此如何更好地将GaN基材料与器件应用在自旋电子学领域具有重要意义。更重要的是目前半导体照明技术已相对成熟并逐渐的工业化和实用化，但是这些传统的照明光源的偏振度都很低，很难满足现代的光学通讯以及液晶显示领域对光源偏振度的要求，因此如何发展具有一定偏振度的半导体照明光源对于这些领域至关重要。同时如何有效的探测自旋仍是目前自旋电子学领域研究的难点和热点，具有丰富的物理信息和研究价值。而GaN基自旋发光二极管(Spin-LED)的概念就是在这种情况下提出和发展起来的。

科学家也试想用GaMnN半导体材料进行Spin-LED器件的设计，但是由于Mn在GaN中形成深受主能级，使得掺杂Mn后的GaN材料的载流子浓度以及迁移率等电学性质难以满足器件的要求。同时这种方法材料生长步骤多，需要多种生长技术交叉使用，周期长、技术难度大。利用GaMnN稀磁半导体材料制备GaN基Spin-LED遇到了一定的挑战，可实用的GaMnN基Spin-LED目前还未见报道。

而氧化铟锡薄膜(Indium tin oxide，简称ITO薄膜)作为一种透明的N型半导体导电薄膜具有优良的导电性。同时兼具化学稳定性、热稳定性等优点，广泛的被用于制备光电器件的透明电极。在GaN基LED白光照明领域，由于其导电性好透明率高而成为电极制作的关键技术之一。最近，掺杂过渡金属元素的ITO薄膜由于其室温铁磁性再一次颇受关注，例如：[2]J.Philip，N.Theodoropoulou，G.Berera，et al.，Appl.Phys.Lett.85，777(2004)；[3]G.Peleckis，X.L.Wang，S.X.Dou，Appl.Phys.Lett.89，022501(2006)；[4]T.Nakamura，K.Tanabe，et al.，J.Appl.Phys.101，09H105(2007)。因为掺杂过渡金属的ITO材料具有制备简单，良好的电学、磁学和光学等性质同时更易于集成半导体电子学等优点，因此它将是一个很好的选择。鉴于此，本发明提出一种应用磁性ITO透明电极技术直接制备Spin-LED的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有GaN基稀磁半导体作为自旋极化层在电学性质上的不足以及工艺的复杂性，提供了一种将ITO基磁性材料作为自旋注入源的GaN基Spin-LED，其制备方法工艺简单、快捷有效，即应用掺杂过渡金属元素的氧化铟锡薄膜(ITO薄膜)透明电极技术直接制备可应用于室温自旋探测和偏振光源的Spin-LED。

本发明的GaN基Spin-LED具有如下结构：在导电衬底之上依次是P型欧姆接触电极、P型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源层、N型GaN层、掺杂过渡金属元素的ITO磁性层、N型欧姆接触电极。

上述的导电衬底优选Cu；P型欧姆接触电极一般为Ni/Au电极；ITO磁性层中掺杂的过渡金属元素优选Mn，其中Mn的掺杂浓度范围为1-10at.％(即Mn在金属元素中的原子百分含量为1-10％)，优选5at.％；N型欧姆接触电极一般为Cr/Au电极。