[发明专利]具有室温铁磁性的稀磁半导体材料及其制备方法和用途

说明书

具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，包括一锗基片，一锗缓冲层，所述锗缓冲层生长于所述锗基片的表面，以及一锗铁薄膜，所述锗铁薄膜生长于所述锗缓冲层的表面，所述锗铁薄膜的组分为Ge_1‑xFe_x，且x＝0.02‑0.05。本发明同时提供了该材料的制备方法。本发明得到的锗铁薄膜在室温(20℃)时具有铁磁性，饱和磁化强度4πMs在320‑450Gs范围，且导电性能强，电阻率在10^‑3Ω·cm量级，由于其具有半导体和磁性材料的性质，即可以同时调控电子的电荷和自旋两种自由度，并且在室温下就具有铁磁性，在存储、通讯、计算等诸多领域将有极大的应用前景。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种具有室温铁磁性的稀磁半导体材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着半导体行业的发展，单个芯片的集成度越来越来高，目前器件尺寸已达到10nm，然而不可否认的是摩尔定律正面临重大挑战。伴随着器件尺寸的缩小，传统的半导体制造工艺已趋于物理极限，更不能适应现代信息技术超高速、超高频、超大容量的发展趋势，寻找和研发新的材料与器件已经刻不容缓。

自旋—电子的第二个重要属性引起了人们广泛关注，通过调控电子的自旋，研究新型自旋电子器件来实现存储、通讯与计算，自旋电子学孕育而生。1992年，Ohno等人成功制备了较高居里转变温度的GaMnAs(Tc＝110K)，掀起了一股稀磁半导体(DMS)的研究热潮。

稀磁半导体(DMS)是指用微量的磁性过度金属替代半导体中的非磁性原子，得到磁性较弱但同时具有半导体和磁性两种性质的磁性半导体。DMS使得同时控制电子电荷和电子自旋成为可能，为新的半导体技术领域的开辟提供了条件，虽然目前处于试验探索阶段，但其应用前景广阔，如自旋极化发光二极管、磁控和光控的超晶格器件、超高密度的非易失性存储器、半导体激光集成电路以及量子计算机等等。

理想的稀磁半导体应具有高的居里转变温度来保证热稳定性、好的载流子迁移率以得到高速性能、稳定而又规律的磁性能。室温下具有磁性为磁性半导体的应用提供了可能，近来Hori等人报道掺入5％Mn的GaN有高于室温的Tc，而后又有报道掺入Co的ZnO在350K时仍然能观察到磁滞回线。研发高居里转变温度(Tc)的磁性半导体材料已成为半导体界的新热点。因此，研发一种在室温下具有铁磁性、且具有良好的导电性能的材料具有非常大的价值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供具有室温铁磁性的稀磁半导体材料及其制备方法和用途。

第一方面，本发明提供的具有室温铁磁性的稀磁半导体材料，包括

一锗(Ge)基片，

一锗缓冲层，所述锗缓冲层生长于所述锗(Ge)基片的表面，

以及一锗铁薄膜，所述锗铁薄膜生长于所述锗缓冲层的表面，所述锗铁薄膜的组分为Ge_1-xFe_x，且x＝0.02-0.05。

即，所述锗铁薄膜中，Fe的摩尔量占比为2％-5％。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗(Ge)基片采用<100>晶向的锗(Ge)基片。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗缓冲层的厚度为20nm。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗铁薄膜为纳米量级厚度，具体为厚度为160-210nm。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述锗缓冲层、锗铁薄膜均利用采用分子束外延(MBE)技术生长。