[发明专利]N2O掺杂p型Zn1－xCoxO稀磁半导体薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜的生长方法，尤其是N₂O掺杂生长p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜的方法。

背景技术

稀磁半导体(DMS)材料是在非磁性半导体(如IV-VI族、II-VI族或III-V族)中掺杂磁性离子，利用载流子控制技术产生磁性的新型功能材料。由于磁性离子局域磁矩与能带电子自旋存在交换作用，因此通过改变磁性杂质浓度和外磁场强度可以有效控制它们的光电、磁性、光吸收和输运等特性。DMS同时应用了电子电荷和自旋性质，因此可以直接与现有的半导体器件集成，可以用来制备各种超低能量消耗高密度的信息存储器、逻辑器和自旋偏振光发射器等集成了光、电、磁功能的新型器件。

ZnO基DMSs材料的研究还处于基础研究阶段，在材料制备方面的研究重点是通过物理或化学制备方法引入过渡金属(TM)离子取代锌离子(Zn)实现其磁性，因为TM离子半径和Zn离子相差不大，容易进入ZnO的晶格；TM 3d电子轨道处于未填满状态，TM离子之间的自旋耦合交换作用或者通过电子(空穴)调节的自旋耦合交换作用可能是其磁性来源。

如果能够制备可控的p型ZnO基稀磁半导体薄膜将有望开辟ZnO基稀磁半导体器件的应用。目前虽然有ZnO基稀磁半导体薄膜性能研究的许多论文报道，但尚无制备p型ZnO基稀磁半导体薄膜的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种N₂O掺杂p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜及其制备方法。

本发明的N₂O掺杂生长p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜，其载流子浓度为10¹⁵～10¹⁸cm^-3，Co的摩尔百分含量x为0＜x≤10％。

N₂O掺杂生长p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，包括以下步骤：

1)称量纯ZnO、Co₂O₃粉末，其中Co的摩尔百分含量x为0＜x≤10％，将上述粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得掺Co的Zn_1-xCo_xO陶瓷靶；

2)将步骤1)制得的陶瓷靶和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，保持靶材与衬底之间的距离为4～6cm，生长室真空度至少抽至10^-3Pa，衬底加热升温到300～700℃，生长室通入N₂O气体，控制压强为2～15Pa，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，沉积在衬底上，得到N₂O掺杂p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜，将薄膜在50Pa氧气氛下冷却至室温。

本发明中，ZnO的纯度≥99.99％，Co₂O₃的纯度≥99.99％。所说的衬底可以是硅或蓝宝石或氧化锌或石英或玻璃。

本发明的有益效果在于：

1)方法简单，p型掺杂浓度可以通过调节N₂O气体压强来控制；

2)在Zn_1-xCo_xO晶体薄膜生长过程中实现受主N的实时掺杂；

3)本发明生长的N₂O掺杂p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜同时具有半导体的性能及磁学性能。

附图说明

图1是根据本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图，图中：1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步的说明。

实施例1

以玻璃为衬底生长N₂O掺杂p型Zn_1-xCo_xO稀磁半导体薄膜，具体步骤如下：