專利名稱：：Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種高載流子濃度n型并且具有室溫鐵磁性能的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜制備方法。
背景技術(shù)：
：稀磁半導(dǎo)體(DilutedMagneticSemiconductors-DMS)是在半導(dǎo)體材料中通過摻雜引入磁性離子，使磁性離子部分地取代半導(dǎo)體中的非磁性陽離子，形成同時(shí)具有電子電荷和自旋雙重性質(zhì)的一種材料，可以用來制備各種超低能量消耗高密度的信息存儲(chǔ)器、邏輯器和自旋偏振光發(fā)射器等集成了光、電、磁功能的新型器件。稀磁半導(dǎo)體是具有自旋極化的半導(dǎo)體，通常稀磁半導(dǎo)體的制備是采用少量3d過渡族元素?fù)饺氲桨雽?dǎo)體材料中使之產(chǎn)生鐵磁性，而同時(shí)保持其半導(dǎo)體特性。ZnO基DMS材料的研究目前還處于基礎(chǔ)研究階段，如要應(yīng)用則必須同時(shí)解決高載流子濃度與室溫鐵磁性的問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單、成本低廉的Co-Ga共摻雜生長高載流子濃度的n型，并且具有室溫鐵磁性能的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜及其制備方法。本發(fā)明的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其Co的摩爾百分含量為2^x^10%，Ga的摩爾百分含量為l^x^3%。Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，包括以下步驟1)稱量純ZnO、Co203、Ga203粉末，其中Co的摩爾百分含量為2^x^10%，Ga的摩爾百分含量為1^^3M。將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在1000130(TC溫度下燒結(jié)，制得Zn(Co，Ga)O陶瓷耙；2)將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，保持靶材與襯底之間的距離為46cm，生長室真空度抽至小于8.0xl0"Pa，襯底加熱升溫到35070(TC，生長室通入02氣體，控制壓強(qiáng)為215Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕耙材，沉積在襯底上，得到Co-Ga共摻雜生長n型ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，然后在50Pa氧氣氛下冷卻至室溫。上述的襯底可以是硅或藍(lán)寶石或氧化鋅或石英或玻璃。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1)釆角激光脈沖沉積技術(shù)生長，工藝成熟，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)；32)Co-Ga共摻ZnO薄膜同時(shí)具有高載流子濃度(5.0xl0195.0xl02Gcm-3)和室溫鐵磁性。圖1是根據(jù)本發(fā)明方法采用的脈沖激光沉積裝置示意圖。圖中1為激光器；2為生長室；3為靶材；4為襯底；圖2是本發(fā)明制備的Zn(Co,Ga)O薄膜的室溫鐵磁性測量結(jié)果。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例11)陶瓷靶的制備。稱量純ZnO、Co203、Ga203粉末，其中Co的摩爾百分含量為2%，Ga的摩爾百分含量為3%，把稱量好的ZnO、Co203、03203粉末倒入裝有瑪瑙球的球磨罐中，在球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，使ZnO、Co203、Ga203粉末混合均勻并細(xì)化。然后將原料分離出來并烘干，添加粘結(jié)劑研磨，壓制成型。把成型的胚體放入燒結(jié)爐中，先在80(TC保溫2小時(shí)，使粘結(jié)劑揮發(fā)，再升溫至125(TC燒結(jié)2小時(shí)，得到Zn(Co,Ga)O陶瓷耙。2)以2英寸石英拋光片作為襯底，將襯底表面清洗后放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的生長室中，生長室真空度抽至小于8.0xl(^Pa，然后加熱襯底，使襯底溫度升至35(TC，輸入氧氣，氧壓調(diào)至10Pa，襯底與靶材間距4.5cm。開啟激光器(脈沖激光能量為340mJ，頻率5Hz)，預(yù)沉積5min，除去耙材表面的玷污，然后旋開擋板，沉積薄膜。沉積過程中襯底和靶材低速旋轉(zhuǎn)，以改善薄膜的均勻性，沉積時(shí)間為30min。在此條件下沉積一層約500nm的Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜，在50Pa氧氣氛下以5T:/min的速度降溫冷卻至室溫。本例制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜具有高載流子濃度(見表l)和室溫鐵磁性(見圖2)。表1是Co-Ga共摻雜制備的ZnO薄膜和單獨(dú)Co摻雜的ZnO薄膜的電學(xué)性能比較(A:ZnCoO薄膜，B:Zn(Co,Ga)O薄膜)，由表可見Co-Ga共摻雜ZnO薄膜具有更高的載流子濃度；4<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實(shí)施例2靶材制備和薄膜沉積過程同實(shí)施例1，其中Co的摩爾百分含量為10%，Ga的摩爾百分含量為3%，同樣獲得制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜具有高載流子濃度和室溫鐵磁性。實(shí)施例3靶材制備和薄膜沉積過程同實(shí)施例1，區(qū)別在于襯底為藍(lán)寶石，且襯底溫度升至700°C，同樣獲得制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜具有高載流子濃度和室溫鐵磁性。實(shí)施例4靶材制備和薄膜沉積過程同實(shí)施例1，其中Co的摩爾百分含量為5%，Ga的摩爾百分含量為2%,同樣獲得制得Co-Ga共摻的ZnO稀磁半導(dǎo)體薄膜具有高載流子濃度和室溫鐵磁性。權(quán)利要求1.Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其特征是該薄膜中Co的摩爾百分含量為2≤x≤10％，Ga的摩爾百分含量為1≤x≤3％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，包括以下步驟1)稱量純ZnO、Co203、Ga203粉末，其中Co的摩爾百分含量為2^x^10%，Ga的摩爾百分含量為l^cS3%。將上述粉末球磨混合均勻、壓制成型，然后在10001300。C溫度下燒結(jié)，制得Zn(Co,Ga)O陶瓷耙；2)將步驟1)制得的陶瓷靶和清洗過的襯底放入脈沖激光沉積裝置生長室中，保持靶材與襯底之間的距離為46cm，生長室真空度抽至小于8.0xl(^Pa，襯底加熱升溫到350700。C，生長室通入02氣體，控制壓強(qiáng)為215Pa，開啟激光器，讓激光束聚焦到靶面燒蝕靶材，沉積在襯底上，得到Co-Ga共摻雜生長n型ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，然后在50Pa氧氣氛下冷卻至室溫。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，其特征在于所說的襯底是硅或藍(lán)寶石或氧化鋅或石英或玻璃。全文摘要本發(fā)明公開的Co-Ga共摻的ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其Co的摩爾百分含量為2≤x≤10％，Ga的摩爾百分含量為1≤x≤3％。采用脈沖激光沉積法制備，以純ZnO、Co₂O₃、Ga₂O₃粉末混合燒結(jié)的陶瓷片為靶材，將襯底清洗后放入脈沖激光沉積裝置生長室中，生長室抽至本底真空小于8.0×10^-4Pa，在壓強(qiáng)為2～15Pa的O₂氣氛下生長，溫度為350～700℃。本發(fā)明制備方法簡單，n型摻雜載流子濃度可以達(dá)到5.0×10¹⁹～5.0×10²⁰cm^-3，并且同時(shí)具有室溫鐵磁性能。文檔編號(hào)H01L43/00GK101483219SQ20091009545公開日2009年7月15日申請日期2009年1月15日優(yōu)先權(quán)日2009年1月15日發(fā)明者何海平,葉志鎮(zhèn),呂建國,張利強(qiáng),張銀珠,朱麗萍申請人:浙江大學(xué)