專利名稱：采用MOCVD制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用金屬 有機化合物氣相外延(MOCVD)工藝制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法。
背景技術(shù)：
近年來，稀磁半導(dǎo)體材料和基于它的自旋電子器件受到研究者的廣泛關(guān)注，已經(jīng) 成為各國競相開展研究的熱點領(lǐng)域。稀磁半導(dǎo)體將材料的半導(dǎo)體性能和磁學(xué)性能融于一 體，有望在磁電、磁光和磁光電等領(lǐng)域研制出具有速度快、功耗低、集成度高和非易失性等 特點的新型多功能自旋電子器件。在量子計算、量子通訊等現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的 應(yīng)用前景。當前稀磁半導(dǎo)體材料研究工作的重點是尋找能在室溫下實現(xiàn)對載流子(電子或 空穴)的自旋注入、輸運、控制和檢測，并能與現(xiàn)有半導(dǎo)體器件制造工藝相兼容的新型稀磁 半導(dǎo)體材料，這對研制實用化的自旋電子器件具有至關(guān)重要的意義。因此，稀磁半導(dǎo)體材料的鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度(居里溫度Tc)高于室溫就成為了一個 必要條件。最近的理論和實驗研究表明摻雜過渡族金屬元素或稀土元素的GaN基材料最 有希望獲得室溫以上鐵磁性，并已經(jīng)取得了令人矚目的研究成果。迄今為止，GaN基稀磁半導(dǎo)體都是沿c軸生長的極性面材料。最近，非極性面GaN 材料由于可以顯著改善光電器件性能而備受研究者關(guān)注。已經(jīng)有相關(guān)研究表明，由于表面 原子結(jié)構(gòu)、成鍵能的差異，P-型摻雜元素Mg和過渡族金屬元素(如Fe、Cr、Mn、C0等)在非 極性GaN材料中的摻雜效率比普通c面GaN材料相應(yīng)的高出許多。同時理論計算表明，高 的空穴濃度和高的Mn固溶度有利于提高GaN = Mn材料的居里溫度和鐵磁性質(zhì)，所以我們認 為非極性的GaN = Mn有望獲得比極性GaN = Mn更為優(yōu)越的鐵磁性質(zhì)。此外，由于極性晶向W001]包含在GaN非極性面內(nèi)，引起GaN非極性面的結(jié)構(gòu)特 性、電學(xué)特性、光學(xué)特性的各向異性現(xiàn)象，其中有許多已經(jīng)在器件方面得到了應(yīng)用。非極性 GaN = Mn系統(tǒng)是材料科學(xué)的一個全新領(lǐng)域，它既具有非極性GaN系統(tǒng)獨特的特性，又引入了 一些獨特的磁學(xué)性質(zhì)，這些磁學(xué)性質(zhì)(如磁學(xué)性質(zhì)的各向異性)，是極性GaN = Mn系統(tǒng)所不具 有的。非極性GaN = Mn系統(tǒng)鐵磁性質(zhì)的這種各向異性分布，有助于人們對影響稀磁半導(dǎo)體鐵 磁性的因素進行全面分析，從而揭示至今仍有很大爭議的稀磁半導(dǎo)體鐵磁性的起源問題。 此外，通過對非極性GaN = Mn這個全新系統(tǒng)的研究，有可能研發(fā)出新型的光電器件和自旋電 子器件，并可能在這些領(lǐng)域有所突破。目前，我們已經(jīng)采用離子注入后退火技術(shù)制備出具有高居里溫度的非極性GaN = Mn 薄膜。但是采用這種技術(shù)不可避免的會對GaN晶格造成損傷，從而影響我們對非極性 GaN = Mn這個全新系統(tǒng)獨特的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)進行系統(tǒng)研究。因此，采用MOCVD技術(shù)生長高質(zhì)量單晶相GaN = Mn薄膜的方法，并深入研究非極性 GaNiMn材料的新現(xiàn)象和新規(guī)律具有重大的科學(xué)和理論意義，它將開辟GaN基稀磁半導(dǎo)體研 究的新領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的 方法，以獲得具有高居里溫度(Tc)的高質(zhì)量單晶相非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。(二)技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法， 該方法采用金屬有機化合物氣相外延工藝，具體步驟如下選擇一襯底；在該襯底上生長一層非極性GaN薄膜；以及在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料。上述方案中，所述襯底為r面藍寶石襯底。上述方案中，所述非極性GaN薄膜用于作為過渡層，所述在襯底上生長一層非極 性GaN薄膜包括將襯底放入金屬有機化合物氣相外延的反應(yīng)室內(nèi)，在氫氣氣氛下加熱襯底到 iooo°c iioo°c并保持至少 ο分鐘，以凈化襯底表面；將該反應(yīng)室內(nèi)的壓強調(diào)節(jié)到40Torr lOOTorr，溫度保持在1000°C 1100°C之 間，在襯底上生長一層非極性GaN薄膜，該非極性GaN薄膜作為過渡層。上述方案中，所述非極性GaN薄膜的厚度為0. 5 μ m 2 μ m。 上述方案中，所述在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料，其生 長溫度介于1000°c 1100°C之間，壓強介于40Torr IOOTorr之間。上述方案中，所述非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的厚度為0. 2 μ m 2 μ m。上述方案中，所述生長非極性GaN薄膜和非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料時，采用的 金屬有機源為金屬有機鐵源、金屬有機鉻源、金屬有機錳源，或者金屬有機鐵源、金屬有機 鉻源和金屬有機錳源中一種或多種的共摻。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的這種制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，采用MOCVD方法生 長高質(zhì)量單晶相的非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料，將稀磁半導(dǎo)體和非極性GaN的優(yōu)點溶為 一體，能夠獲得具有高居里溫度(Tc)的高質(zhì)量單晶相非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。此外，結(jié)合MOCVD生長GaN基材料及器件的成熟工藝基礎(chǔ)，可以將這種技術(shù)直接應(yīng) 用到MOCVD生長GaN基自旋光電材料和器件的領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明提供的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法流程圖；圖2是采用本發(fā)明制備的非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供的這種采用MOCVD生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其具體 的生長模式如圖1所示，具體包括首先選擇一襯底；然后在該襯底上生長一層非極性GaN 薄膜；以及在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料。其中，襯底可以選用r面藍寶石襯底、Si襯底、SiC襯底或GaN襯底。所述非極 性GaN薄膜用于作為過渡層，所述在襯底上生長一層非極性GaN薄膜包括將襯底放入金 屬有機化合物氣相外延的反應(yīng)室內(nèi)，在氫氣氣氛下加熱襯底到iooo°c iioo°c并保持至 少10分鐘，以凈化襯底表面；將該反應(yīng)室內(nèi)的壓強調(diào)節(jié)到40Torr lOOTorr，溫度保持在 1000°C 1100°C之間，在襯底上生長一層非極性GaN薄膜，該非極性GaN薄膜作為過渡層， 其厚度為0. 5μπι 2μπι。在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料，其生長溫度介于 1000°C 1100°c之間，壓強介于40Torr IOOTorr之間，非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的 厚度為0. 2μπι 2μπι。在生長非極性GaN薄膜和非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料時，采用的金屬有機源為 金屬有機鐵源、金屬有機鉻源、金屬有機錳源，或者金屬有機鐵源、金屬有機鉻源和金屬有 機錳源中一種或多種的共摻。下面以在r面藍寶石襯底上采用MOCVD方法生長非極性GaN = Mn稀磁半導(dǎo)體材料 為例來詳細說明其制備過程。步驟1 將r面藍寶石襯底放入MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，在氫氣氣氛中加熱處理大約10分 鐘，以凈化襯底表面。步驟2 調(diào)節(jié)生長條件，在r面藍寶石上生長一層AlN薄膜，作為生長高質(zhì)量非極 性GaN過渡層的緩沖層。步驟3 調(diào)節(jié)生長條件，在緩沖層的基礎(chǔ)上生長高質(zhì)量的非極性GaN薄膜作為過渡層。步驟4 調(diào)節(jié)生長條件，在過渡層基礎(chǔ)上生長高質(zhì)量單晶相非極性GaN基稀磁半導(dǎo) 體材料，最終形成的非極性GaN ；Mn稀磁半導(dǎo)體薄膜如圖1所示。以上實施例僅是本發(fā)明的舉例而已，依照本發(fā)明的原理，還可以采用其它在MOCVD 系統(tǒng)中生長非極性GaN基稀磁薄膜材料的技術(shù)方案。例如在不同的襯底上生長(如Si、 SiC、GaN襯底等)；改變金屬有機源(如有機Fe、Cr、Co、V、Eu、Dy、Tb等)；以及在此基礎(chǔ) 上兩種或多種金屬有機源的共摻等。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，該方法采用金屬有機化合物氣相外延工藝，具體步驟如下選擇一襯底；在該襯底上生長一層非極性GaN薄膜；以及在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，所述 襯底為r面藍寶石襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，所述 非極性GaN薄膜用于作為過渡層，所述在襯底上生長一層非極性GaN薄膜包括將襯底放入金屬有機化合物氣相外延的反應(yīng)室內(nèi)，在氫氣氣氛下加熱襯底到1000°C 1100°C并保持至少10分鐘，以凈化襯底表面；將該反應(yīng)室內(nèi)的壓強調(diào)節(jié)到40Torr lOOTorr，溫度保持在1000°C 1100°C之間，在 襯底上生長一層非極性GaN薄膜，該非極性GaN薄膜作為過渡層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，所述 非極性GaN薄膜的厚度為0. 5 μ m 2 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，所 述在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料，其生長溫度介于1000°C 1100°C之間，壓強介于40Torr IOOTorr之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，所述 非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的厚度為0. 2 μ m 2 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，其特征在于，所述 生長非極性GaN薄膜和非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料時，采用的金屬有機源為金屬有機鐵 源、金屬有機鉻源、金屬有機錳源，或者金屬有機鐵源、金屬有機鉻源和金屬有機錳源中一 種或多種的共摻。全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料的方法，該方法采用金屬有機化合物氣相外延工藝，具體步驟如下選擇一襯底；在該襯底上生長一層非極性GaN薄膜；以及在該非極性GaN薄膜上生長非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體材料。利用本發(fā)明，能夠獲得具有高居里溫度(Tc)的高質(zhì)量單晶相非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體薄膜材料。此外，非極性GaN基稀磁半導(dǎo)體薄膜材料具有獨特的面內(nèi)各向異性分布特性(結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì))，這些性質(zhì)無論對基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究都具有重大意義，本發(fā)明將開辟GaN基稀磁半導(dǎo)體研究的新領(lǐng)域。
文檔編號C30B25/16GK101899706SQ20101020150
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者孫莉莉, 張會肖, 曾一平, 李晉閩, 王軍喜, 王國宏, 閆發(fā)旺 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所