[发明专利]一种制备磁性锗量子点的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种制备磁性锗量子点的方法。 

背景技术

近年来，在半导体中掺入磁性粒子，使半导体中的电子不仅具有电子的电荷特性，还具有了自旋特性，这种半导体称为稀磁半导体。半导体锗由于具有较高的居里温度，使其稀磁特性引起了人们的研究兴趣。较高的居里温度，对制备锗基电磁器件是非常重要的。由于半导体锗与Si集成电路制造技术具有很高的兼容性，使人们很容易利用Si技术来制造各种先进的电子和磁性存储器件。 

现在，关于Mn掺杂的锗单晶、纳米线等的结构和电磁特性都已经得到了大量研究。如Park等人应用分子束外延方法（MBE）制备了Ge_1-xMn_x烯磁薄膜，发现其居里温度（Curie temperature，CT）在25-116K范围内变化，并随Mn含量的增加，居里温度随之增加。随后，S.Cho等人报道了Mn掺杂的Ge单晶的居里温度高达285K。D.Holmes研究组合成的Ge_1-xMn_x的铁磁性温度在300K。在这些研究中，基本上都是研究了Ge的单晶、薄膜和纳米线的稀磁特性，而对于锗量子点稀磁特性的研究在国内还没有相关的报道。国外也主要利用分子束外延方法制备锗量子点，这种设备昂贵、技术复杂。该专利介绍一种制备锗磁性量子点的简单技术，并分析了其磁性机理。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备磁性锗量子点的方法，是一种原位掺杂锗量子点的简单方法。 

本发明的一种制备磁性锗量子点的方法，具体制备方法如下： 

步骤1）使用由沉积室、抽气系统、加热系统、气体流量控制系统、等离子体射频系统和磁控溅射系统这六部分构成的反应性磁控溅射系统作为生长系统；

步骤2）选择n型硅片（100晶面）作为衬底，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，然后用氮气吹干，放进生长系统中的等离子体射频系统中阴极的中心部位；

步骤3）采用锗烷（纯度为99.9999%）作为反应气体，氩气作为稀释和溅射气体，锰靶（纯度为99.9999%）掺杂靶；

步骤4）先应用化学气相沉积沉积锗量子点，然后应用磁控溅射方法进行锗量子点的原位掺杂，即得磁性锗量子点。具体操作为：

通入锗烷和氩气，锗烷和氩气两种气体的反应比例为1：19，在等离子体射频作用下锗烷分解为锗原子、H⁺、氢原子，在反应压强为40Pa-60Pa、生长温度为450℃-550℃的条件下锗原子沉积到硅片上形成锗应变量子点，锗量子点的生长时间为0.5-1.5个小时；

然后在锗应变量子点上进行锰的掺杂：开启磁控溅射系统，将锰靶对准锗应变量子点表面进行均匀掺入锰，掺杂8-12分钟后在550℃-650℃的温度下进行热快速退火35-45分钟；

再由卢赛福背散射测量准锗应变量子点中锰的浓度，达到10¹⁵cm^-3。

  优选的，步骤4）的具体操作中，是在反应压强50Pa，生长温度500℃条件下锗原子沉积到硅片上形成锗原子应变量子点，锗量子点的生长时间为1小时。 

优选的，步骤4）的具体操作中，是将锰靶对准锗应变量子点表面进行均匀掺入锰，掺杂10分钟后在600℃温度下进行热快速退火40分钟。 

有益效果：本发明的制备方法，利用化学气相沉积方法生长、并原位掺杂Mn、600℃退火后制得磁性锗量子点。通过原子力显微镜观察发现应用化学气相-溅射法Ge：Mn量子点呈漂亮的、高度对称的球形形状，均匀低分散在硅片上。并且锗量子点的表面非常均匀、光滑，没有黏附其他杂质或其它缺陷产生，且具有铁很强的磁性特征。 

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附图说明

  图1为本发明的制备锰掺杂锗量子点的实验装置示意图。 

图2是本发明的锰掺杂锗量子点的X射线衍射图。 

图3是本发明的锰掺杂锗量子点的能量散射谱。 

图4是本发明的锰掺杂锗量子点的纳曼光谱图。 

图5是本发明的锰掺杂锗量子点样品室温下磁化率随磁场强度的变化关系图。 

图6本发明的锰掺杂锗量子点样品的磁化率示意图。 

图7本发明的锰掺杂锗量子点中每个Mn的磁矩Peff示意图。 

具体实施方式

本发明的一种制备磁性锗量子点的方法，具体制备方法如下：