专利名称：含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料及其制备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质 结材料及其制备，属于铁磁半导体异质结材料及其制备的技术领域。
背景技术：
近年来半导体自旋电子学发展迅速，从实际应用的角度出发，人 们希望材料在较高温度下仍能有效地产生自旋极化载流子，所以如何 使材料提高居里温度已成为人们关注的焦点。而寻找宽带隙DMS材 料就是提高居里温度的途径之一。GaN就是一种宽带隙材料，与其它 化合物半导体相比，它具有很强的压电和自发极化效应，是一种很有 前景的制作光电子器件的材料。目前，人们就利用这种宽带隙DMS 材料GaMnN来增加材料的居里温度，这种结构的材料是在Si衬底上 通过分子束外延技术首先生长AlQ.13Gac.87N左势垒层，接着在 A10.13Ga0.87N左势垒层上生长Mn掺杂的GaN右量子阱，右量子阱 的宽度一定，最后在右量子阱上生长一层Alc.I3Ga().87N右势垒层。但 此种材料的居里温度Tco3仍然很低，当左势垒层的宽度、右量子阱 的宽度和右势垒层的宽度分别为30 A、 20 A和30人时，Tco3-92K， 与室温300K相比，还有相当大的一段距离，而且由于此种材料仅含 单量子阱结构，阱的宽度是固定的，在没有外加电场或磁场的情况下，
很难通过改变阱的生长参数对其居里温度Tco3进行调节。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提出 种含不对称双量子阱 结构GaMnN铁磁半导体异质结材料。为解决上述的技术问题，本发 明采用以下的技术方案。该材料包括由Si衬底K左势垒层2、右量 子阱5和右势垒层6组成的含单量子阱结构的GaMnN铁磁半导体异 质结材料，左势垒层2、右量子阱5和右势垒层6通过分子束外延技 术依次生长在Si衬底1上，其特征在于，它还含左量子阱3和中间 势垒层4，中间势垒层4通过分子束外延技术生长在左量子阱3上，两个叠合在一起的左量子阱3和中间势垒层4嵌接在左势垒层2和右 量子阱5之间，构成左势垒层2、中间势垒层4和右势垒层6的材质 是AI(U3Gao.87N，构成左量子阱3的材质是B掺杂的GaN，构成右量 子阱5的材质是B和Mn S惨杂的GaN，左势垒层2、左量子阱3、 中间势垒层4、右量子阱5和右势垒层6的宽度分别为30A、 10A 200A、 IOA、 20A和30A。该材料在其Si衬底1上生长有不对称双量 子阱，在生长时，其一的宽度为恒定，另一的宽度可以改变，从而可 以在较大范围内调节该材料的居里温度。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种含不对称双量子阱 结构GaMnN铁磁半导体异质结材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案。用分子束外 延技术将五层薄膜左势垒层2、左量子阱3、中间势垒层4、右量 子阱5和右势垒层6依次生长在Si衬底1上。
现结合附图，详细说明本发明的技术方案。 一种含不对称双量子 阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料的制备方法，其特征在于，具 体操作步骤
第一步在Si衬底1上生长左势垒层2
把Si衬底l清洗干净，放入生长炉中，用分子束外延技术在Si 衬底1上生长左势垒层2，构成左势垒层2的材质是AlQ.13GaQ87N， 左势垒层2的宽度LBL=30 A;
第二步在左势垒层2上生长左量子阱3
在第一步制得的左势垒层2上用分子束外延技术生长一层左量 子阱3，构成左量子阱3的材质是GaN，通过离子注入的方法对左量 子阱3进行B掺杂，掺杂载流子浓度为10uCm'2，左量子阱3的宽度 Wl介于10A 200A;
第三步在左量子阱3上生长中间势垒层4
在第二步制得的左量子阱3上用分子束外延技术生长一层中间 势垒层4，构成中间势垒层4的材质是Alo.13Gao.87N，中间势垒层4 的宽度Lo为IOA;
第四步在中间势垒层4上生长右量子阱5
在第三步制得的中间势垒层4上用分子束外延技术生长一层右量子阱5， 构成右量子阱5的材质是GaN，通过离子注入的方法对 右量子阱5进行B掺杂，B掺杂载流子浓度为10nCnT2，接着再对右 量子阱5进行MnS掺杂，MnS载流子浓度为10ucm—2，右量子阱5 的宽度LWR=20 A;
第五步在右量子阱5上生长右势垒层6
在第四步制得的右量子阱5上用分子束外延技术生长一层右势 垒层6，构成右势垒层6的材质是Al().13GaQ.87N，右势垒层6宽度 LBR=30A，至此，制得含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异 质结材料。
用上法制得的含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结 材料，因其内生长有双量子阱左量子阱3和右量子阱5，右量子阱 5的宽度Lwr固定(20A)，通过生长左量子阱3时在一定范围(10A 200 A)内调节其宽度LwL，从而使制得的所述材料的居里温度Tc随 之在一定范围(276K H9K)内得到调节。当左量子阱3宽度LwL 为10A时，所述材料的居里温度Tc可高达276K,接近于室温。与本 发明的含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料相对应 的含单量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料，其居里温度TC()3 为92K。
与背景技术相比，本发明具有以下的有益效果
1、 本发明的材料的不对称双量子阱结构的可调性为制备所需的 高居里温度Tc的GaMnN铁磁半导体异质结材料提供了可靠而有效的 技术手段。
2、 本发明的材料的制备方法简单，成本低和重复性好，且制备 工艺能与已有的IC制备工艺兼容。
图1为本发明所述的GaMnN铁磁半导体异质结材料的剖面结构 示意图，图中，l是Si衬底，2是左势垒层，3是左量子阱，4是 中间势垒层，5是右量子阱和6是右势垒层。
图2为本发明所述的GaMnN铁磁半导体异质结材料的左量子阱 3的宽度Lw与Tc/Tc()3比的依从关系曲线，其中，Tc是本发明所述的GaMnN铁磁半导体异质结材料的居里温度，单位是K; Tcm是与 本发明所述的GaMnN铁磁半导体异质结材料对应的含单量子阱结构 GaMnN铁磁半导体异质结材料的居里温度，单位是K; LBL， LD， LBR， Lwr和LwL分别是左势垒层2的宽度，中间势垒层4的宽度，右势垒 层6的宽度，右量子阱5的宽度和左量子阱3的宽度，单位是A。当 LBL， Lbr和LwR分另U为30A ， 30A和20A时，TC03约为92K。
具体实施例方式
现结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。所有的实施 例均完全按照上述的操作步骤进行操作，以下每个实施例仅罗列关键 的技术数据。
实施例一
第二步中，左量子阱的宽度LWL =10A。
本实施例制得的GaMnN铁磁半导体异质结材料具有与图1所示 结构完全相同的结构。当LwL二10A时，利用图2所示的曲线找出所 述材料的Tc/ TC03= 3 ，艮卩Tc = 3 X TC03 ，将TC03=92K代入，得Tc =276K 。
实施例二
第二步中，左量子阱的宽度LWL =100A。
本实施例制得的GaMnN铁磁半导体异质结材料具有与图1所示 结构完全相同的结构。当LwL-100A时，利用图2所示的曲线找出所 述材料的TC/TC03=1.75，艮卩Tc =1.75XTC03，将TC03=92K代入，得 Te=161K。
实施例三
第二步中，左量子阱的宽度LWL =200A。
本实施例制得的GaMnN铁磁半导体异质结材料具有与图1所示 结构完全相同的结构。当LwL二200A时，利用图2所示的曲线找出所 述材料的TC/TC03=1.3，艮卩Tc =1.3XTC03，将TC03=92K代入，得 Te=119K。
本发明的含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料 特别适于用作制造光电子器件的材料。
权利要求
1、一种含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料，包括由Si衬底(1)、左势垒层(2)、右量子阱(5)和右势垒层(6)组成的含单量子阱结构的GaMnN铁磁半导体异质结材料，左势垒层(2)、右量子阱(5)和右势垒层(6)通过分子束外延技术依次生长在Si衬底(1)上，其特征在于，它还含左量子阱(3)和中间势垒层(4)，中间势垒层(4)通过分子束外延技术生长在左量子阱(3)上，两个叠合在一起的左量子阱(3)和中间势垒层(4)嵌接在左势垒层(2)和右量子阱(5)之间，构成左势垒层(2)、中间势垒层(4)和右势垒层(6)的材质是Al0.13Ga0.87N，构成左量子阱(3)的材质是B掺杂的GaN，构成右量子阱(5)的材质是B和Mnδ掺杂的GaN，左势垒层(2)、左量子阱(3)、中间势垒层(4)、右量子阱(5)和右势垒层(6)的宽度分别为和。
2、 一种含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料的 制备方法，其特征在于，具体操作步骤第一步在Si衬底(1)上生长左势垒层(2)把Si衬底(1)清洗干净，放入生长炉中，用分子束外延技术在 Si衬底(1)上生长左势垒层(2)，构成左势垒层(2)的材质是 Al0.13GaQ.87N，左势垒层(2)的竟度Lbl-30A;第二步在左势垒层(2)上生长左量子阱(3)在第一步制得的左势垒层(2)上用分子束外延技术生长一层左 量子阱(3)，构成左量子阱(3)的材质是GaN，通过离子注入的方 法对左量子阱(3)进行B掺杂，掺杂载流子浓度为10Hcm—2，左量 子阱(3)的宽度L肌介于10A 200A;第三步在左量子阱(3)上生长中间势垒层(4)在第二步制得的左量子阱(3)上用分子束外延技术生长一层中 间势垒层(4)，构成中间势垒层(4)的材质是Alo.13Gao.87N，中间势 垒层(4)的宽度Lo为10A;第四步在中间势垒层(4)上生长右量子阱(5)在第三步制得的中间势垒层(4)上用分子束外延技术生长一层右量子阱(5)，构成右量子阱(5)的材质是GaN，通过离子注入的 方法对右量子阱(5)进行B掺杂，B掺杂载流子浓度为10ucm—2， 接着再对右量子阱(5)进行MnS掺杂，Mn5载流子浓度为10"cm—2, 右量子阱(5)的宽度LWR=20A;第五步在右量子阱(5)上生长右势垒层(6)在第四步制得的右量子阱(5)上用分子束外延技术生长一层右 势垒层(6)，构成右势垒层(6)的材质是AlQ.13Ga().87N，右势垒层(6) 竟度Lbr-30A，至此，制得含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导 体异质结材料。
3、 根据权利要求2所述的含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半 导体异质结材料的制备方法，其特征在于，第二步中，左量子阱(3) 的宽度LWL =10A。
4、 根据权利要求2所述的含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半 导体异质结材料的制备方法，其特征在于，第二步中，左量子阱(3) 的宽度LWL -IOOA。
5、 根据权利要求2所述的含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半 导体异质结材料的制备方法，其特征在于，第二步中，左量子阱(3) 的宽度Lwl =200A。
全文摘要
一种含不对称双量子阱结构GaMnN铁磁半导体异质结材料及其制备，由Si衬底、左势垒层、左量子阱、中间势垒层、右量子阱和右势垒层组成，后五层薄膜依次生长在Si衬底上，构成左势垒层、中间势垒层和右势垒层的材质是Al<sub>0.13</sub>Ga<sub>0.87</sub>N，构成左量子阱的材质是B掺杂的GaN，构成右量子阱的材质是B和Mnδ掺杂的GaN，左势垒层、左量子阱、中间势垒层、右量子阱和右势垒层的宽度分别为30、10～200、10、20和30。该材料的量子阱结构可调性为制备所需的高居里温度T<sub>C</sub>的GaMnN铁磁半导体异质结材料提供了可靠而有效的技术手段，制备方法简单，成本低，重复性好，能与IC制备工艺兼容。该材料特别适于用作制造光电子器件的材料。
文档编号H01L31/18GK101436617SQ20081020407
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者艳 刘, 勇 张, 张红英, 王基庆, 茅惠兵 申请人:华东师范大学