[发明专利]具有内禀铁磁性的ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料技术领域，涉及一种高质量、电阻率和载流子浓度可调、具有室温内禀铁磁性的过渡金属离子掺杂ZnO稀磁半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

二十世纪五十年代以来，对硅（Si）为代表的半导体材料的研究和应用使人们迎来了信息技术革命的浪潮。进入二十一世纪，人们对信息处理、信息传输和信息存储的速度和规模提出了空前要求，信息技术的发展迎来了新的机遇和挑战。一方面，主要依赖于电子电荷属性的信息处理和传输元件开始遭遇到尺寸效应的瓶颈。另一方面，以磁性材料为载体的信息存储元件则比较单一地依赖于电子的自旋属性。如果能同时利用电子的电荷与自旋属性，研制开发出新一代的自旋电子器件，无疑将引发一场新的信息技术革命。

稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductors, DMSs）是指由磁性离子（过渡金属离子或稀土金属离子）部分替代半导体中的非磁性离子后形成的一类新型半导体材料。由于DMSs拥有新颖的磁光、磁电性能，并且能同时利用载流子的电荷属性和自旋属性，因而在自旋场效应晶体管、自旋发光二极管、自旋阀等自旋电子器件领域有着广阔的应用前景。除此之外，由于DMSs是以半导体材料为基体经掺杂引入磁性离子后得到的，相对于传统磁性半导体材料，DMSs与当前的半导体工艺更有可能兼容。

DMSs研究的一个重要的方面是获得具有高居里温度的内禀铁磁性材料。ZnO是一种直接带隙（3.4 eV）高激子结合能（60 meV）的半导体材料，具有优良光电特性，在透明导电薄膜、紫外半导体激光等方面有广泛的应用。此外，ZnO还有成本低廉、原料易获得、无毒、对制备条件要求相对较低等优点。

在过去十几年里，人们对过渡金属（Mn、Co、Fe、Ni等）掺杂ZnO开展了大量的研究。2001年日本Osaka大学Ueda等人在Appl. Phys. Lett.发表文章公开了n型Zn_1-xTM_xO（x=0.05～0.25，TM=Co、Cr、Mn、Ni），然而对所制备的Ni、Cr、Mn掺杂的薄膜进行分析，并没有观察到铁磁性。北京大学的专利申请CN101016164A公开一种掺钴氧化锌（Co_xZn_1-xO）稀磁半导体材料；浙江大学的专利申请CN101183607A公开一种氧化锌掺杂铁（Zn_1-xFe_xO）稀磁半导体材料。然而，由于掺杂引入的过渡金属本身或其氧化物具有铁磁性，为澄清稀磁半导体的磁性来源带来了很大困难。此外，DMSs多只在低电阻率时具有铁磁性，当高电阻率较高时铁磁性会减弱或者消失，这限制了材料实际应用范围。例如CN101483219A公开一种Co-Ga共掺的ZnO基稀磁半导体薄膜，其具有室温铁磁性，然而其电阻率较低，为10^-2 Ω×cm数量级。 又，张春富等人通过计算表明Cr掺杂ZnO可能具有室温以上的居里温度和铁磁性，并基于此设计了一种Cr掺杂的ZnO纳米线（Zn₄₆Cr₂O₄₈）（物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 60, No.12 (2011) 127503）；CN101615467A公开一种Cr掺杂ZnO基稀磁半导体材料的制备方法，然而其没有公开制备的材料Cr掺杂量。上述关于Cr掺杂ZnO的稀磁半导体材料都没有公开材料的电阻率。因此，制备具有内禀铁磁性的电阻率可调的过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体薄膜仍然是DMSs领域的一个难点。

关于ZnO薄膜的制备，目前主要有射频磁控溅射（CN101615467A）、脉冲激光沉积（PLD）（CN101483219A）、分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）和溶胶-凝胶（Sol-Gel）（CN101183607A）法等几种方法。上述方法在薄膜制备方面各有优缺点，与上述几种制备方法相比，电感耦合等离子体增强物理气相沉积（ICP-PVD）技术有许多优点，如等离子体增强系统能够使溅射出来的粒子离子化，增加粒子活性，促进分解或解离，提高离子化率和沉积速率，从而提高薄膜沉积的质量；此外，该系统供气系统简单，制备过程中无毒性气体使用和产生，能显著减少环境污染。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明旨在提供一种高质量、电阻率和载流子浓度可调、具有内禀铁磁性的ZnO基稀磁半导体薄膜以及一种设备简单、易操作能显著减少环境污染的制备ZnO基薄膜的方法。