[发明专利]ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，特别是涉及一种ZnO基稀磁半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

现代信息工业中，半导体材料中通常利用电子的电荷这一自由度工作，而电子还有一个自由度就是自旋。电子在半导体中定向运动，其自旋也携带了大量的信息。如果能够在半导体材料中获得自旋极化度较高的电流，则半导体的电学性能可以受到磁场的调控。以此为基础，可以设计出许多新型多功能的自旋电子学器件，并开发新的电子信号处理方式，大大提高电子信息的处理效率。半导体自旋电子学就是研究如何利用半导体中电子自旋这一自由度的科学，而其基础就在于如何获得自旋极化的电流。在半导体中掺入少量的磁性离子，使磁性离子随机取代晶格中的阳离子而形成稀磁半导体(Diluted Magnetic Semiconductors，简称DMSs)，可以使磁性离子的磁矩影响半导体电流的自旋极化，达到自旋极化电流注入的效果。因为稀磁半导体可以采用研究比较成熟的材料体系掺入磁性离子的方法得到，更容易投入实际应用，所以稀磁半导体成为了半导体自旋电子学的一个重要研究对象。在稀磁半导体中磁性离子的局域磁矩和载流子与缺陷之间存在很强的自旋交换作用，这种交换作用会使半导体材料的电学、光学参数受外磁场变化的影响而相应地变化，可以通过改变外磁场而改变稀磁半导体的物理性质。稀磁半导体材料具有许多的特殊的物理性质，例如巨磁光效应，巨负磁阻效应，磁场感应的绝缘体-金属转变等等。

ZnO几乎是近年来研究最多，性能最为丰富的半导体材料。它室温结构为纤锌矿结构，是直接带隙半导体，具有很好的化学稳定性和热稳定性。ZnO不仅被应用于半导体领域，它在声学，光学等领域的应用也被广泛研究，如应用在紫外光发射器，声表面波器件，透明高功率电子器件，压电传感器和太阳能电池的窗口材料等等。ZnO基稀磁半导体的研究近年来也成为了热点，因为过渡金属掺杂的ZnO是少有的能显示室温铁磁性的稀磁半导体。由于更便于进行器件设计和纳米尺度研究，人们常常研究ZnO稀磁半导体薄膜。所采用的薄膜的制备方法主要包括溶胶凝胶法、磁控溅射法、脉冲激光沉积(PLD)法、分子束外延(MBE)法等。不同的实验小组还尝试改变各种掺杂和制备条件来调控其室温铁磁性，比如改变磁性离子的种类，磁性离子的浓度，基片的种类，生长薄膜的氧分压，等等。

禁带宽度(简称带隙)是半导体材料的一个重要参数，其定义是半导体导带底部到价带顶部的能量差。不同的半导体带隙有很大差异，比如硅的禁带宽度为1.12eV，ZnO的带隙为3.37eV等。能带工程(Bandgap Engineering)是指通过在半导体中掺入不同的组分，改变半导体的带隙，从而改变半导体的光电性质。以ZnO为例，ZnO作为一种性能优异的宽带隙半导体，在紫外发光器件方面具有很大的应用前景，所以，寻找调控其带隙的手段变得十分重要。许多研究都报道了掺杂不同的组分对ZnO带隙的调控作用。如Makino等人就找到了对ZnO体系进行带隙调控的方法：掺入Mg使ZnO的带隙变宽，掺入Cd使ZnO带隙变窄[Makino T，Segawa Y.Band gap engineering based on Mg_xZn_1-xO and Cd_yZn_1-yO ternary alloy films.Applied Physics Letters，2001，78：1237-1239.]。但是至今还没有报道有研究通过调节带隙调控ZnO基稀磁半导体的物理性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种ZnO基稀磁半导体薄膜，其组成为Zn_0.9M_0.05R_0.05O或Zn_0.95M_0.05O；

其中，M代表稀磁半导体中掺入的过渡金属元素，为Co或Mn，R代表用于调控ZnO带隙的元素，为Mg或Cd。

所述ZnO基稀磁半导体薄膜为(002)取向的纤锌矿结构；薄膜的厚度为40nm-50nm。

上述ZnO基稀磁半导体薄膜也可为按照下述方法制备而得的产物。

本发明提供的制备所述ZnO基稀磁半导体薄膜的方法，包括如下步骤：

1)用氨水将NH₄HCO₃水溶液的pH值调节至7.6-9.5后得到沉淀剂；