磁性增强的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜的制作方法

专利名称：磁性增强的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性增强的H掺杂M GeLx磁性半导体薄膜，属于信息技术自旋电子材料 领域。
背景技术：
在过去的20世纪,半导体技术的发展，对整个人类的生活产生了巨大的影响。1947 年，美国电报电话公司(AT&T)贝尔实验室的三位科学家巴丁、布莱顿和肖克利在研究 半导体材料——锗和硅的物理性质时，意外地发现了锗晶体具有放大作用，经过反复研究， 他们用半导体锗材料制成了世界上第一个固体放大器——晶体管。随后的半个世纪内，以 大规模集成电路为基础，计算机向微型化和巨型化方向发展，取得了前所未有的成就,极 大地推动了人类文明的进程。
然而，传统半导体器件发展到今天,运行速度和存储密度都已经越来越接近其理论极 限，探索新的信息处理机制成为电子科学技术持续发展的必然.我们知道电子既具有电荷 属性，也具有自旋属性。传统的半导体技术只是利用了电子的电荷属性，而利用电子的自 旋开发具有潜在应用价值的新型功能器件，即自旋电子学，成为近年来研究的热点。在自
旋电子学中，信息的读取，传输和处理都是针对电子或核的自旋来操作的。可能的自旋电 子学新型功能器件包括磁随机存储器，自旋发光二极管，自旋晶体管，自旋阀，非易失性 存储器，光频隔离器等。
要实现这些功能器件，各种室温下表现出铁磁性的金属当然是理想的选择。然而，如 果所有这些功能可以在半导体材料中实现，就可以利用现有的半导体光电器件工艺来制造 新一代的光电器件，这就凸现出磁性半导体材料的重要性。
关于Ge基磁性半导体材料，Park等人于2002年报道了居里温度约116K的外延 MnxGe,.x磁性半导体，而且材料的居里温度随Mn浓度的增加而线性增加(Y. D. Park, Science 295,651(2002))。 Tsui等人制备了高质量的(Co， Mn)共掺杂的Ge薄膜，居里温 度可以达到270K，但是该材料的饱和磁化强度非常小(F. Tsui, PRL91,177203(2003))。
第一性原理计算结果显示Mn离子之间的交换相互作用随杂质之间的距离增大而振荡 变化。而且，绝大多数的理论计算结果显示Mn在Ge基中趋向形成团簇，最近邻Mn离 子之间反铁磁耦合在能量上要优于铁磁耦合。通过这些理论结果，在Ge基磁性半导体中 很难达到高居里温度的铁磁性。因此，我们需要解决的关键问题便是寻找一种方法，实现 Ge基磁性半导体中最近邻Mn之间的铁磁耦合。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种磁性增强的H掺杂MnxGe,-x磁性半导体薄膜。发明概述
氢(H)通常被用来调节半导体的电性质，因为它的半径小使它容易留在晶体的间隙 位置。此外，依赖于不同的电负环境，H原子既可以作为施主又可以成为受主。虽然在 Mi^GeLx化合物中，最近邻的替代位Mn离子之间为反铁磁耦合，H作为间隙原子加入， 通过Mn-H-Mn的形成，可以在该化合物中产生强的铁磁相互作用，从而获得高居里温度 的铁磁性。
发明详述
本发明的H掺杂MnxGeLx磁性半导体薄膜，其特征在于，该材料中掺杂有2at% - 35at% 的氢原子，x=0.03-0.6，该材料的居里温度不低于270K。
可以利用现有技术分子束外延、脉冲激光沉积、磁控溅射、化学气相沉积或者离子注 入的方法在衬底上生长MnxGei.x薄膜，Mn的掺杂浓度3at%-60at%。
本发明的H掺杂MnxGe^磁性半导体薄膜的氢原子的掺入通过以下三种方式之一
a. 在氢气氛中生长该薄膜，使掺杂有2at% - 35aty。的氢原子；
b. 制备态薄膜在氢气氛中进行热处理，使掺杂有2at% - 35at。/。的氢原子；
c. 制备态薄膜通过离子注入氢原子，使惨杂有2at% - 35at。/。的氢原子。 本发明典型样品，激光脉冲沉积法制备的H掺杂MnQ.3GeQ.7的室温磁滞洄线如图2所
示，显示该样品具有室温铁磁性。该典型样品的室温反常霍尔效应如图3所示，表明该样 品中存在sp-d交换相互作用，磁性为样品本征的性质，而非来自于杂质相的存在。实验结 果证明H掺杂确实有效地增强了 MnxGeLx薄膜的磁性。
使用基于密度泛函理论的QUANTUM-ESPRESSO软件包对本发明的材料的性质进行 计算验证，在计算中我们使用了广义梯度近似(GGA)与超软赝势，其中Mn的价电子组 态为3s23p63d54s2， Ge为4s"4p2。设置平面波截止动能为40 Ryd。优化原子位置和晶格参 数直到原子间作用力小于1CT3 Ryd/Bohr,应力小于0.5 kbar。对布里渊区的抽样，采用4 X4X4的Monkhost-Pack型k点栅格。第一性原理计算的结果显示，MtixGe,.x薄膜中H 的掺入，以Mn-H-Mn的形式存在，破坏了最近邻Mn之间的强反铁磁相互作用，形成铁 磁自旋排列。当Mn和H的浓度达到一定程度，局域的铁磁极化子互相交叠，从而形成长 程铁磁序，获得高的居里温度。


图1中(a)显示了 H掺杂Mno.3Geo.7的计算态密度(DOS),图1中(b)， (c)， (d)分别显 示了Mn的3d态，4s态和H的ls态的态密度，将坐标原点设在费米能级处，状态数目的 正负分别表示自旋向上的态和自旋向下的态。H杂质能级的引入，使Mn的3d和4s能级
发生移动。
图2，图3分别为激光脉冲沉积法制备的H掺杂Mno.3Geo.7磁性半导体薄膜的室温磁 滞洄线及室温反常霍尔效应图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的不同实施方案进一步说明，然而，这些不应当视为对本发 明的限制。
实施例l: H掺杂Mn。.3Geo.7磁性半导体薄膜，制备方法如下.-使用脉冲激光沉积的方法，采用(110)高阻硅单晶衬底，背底真空度优于10—6Pa， 通入氢气，调节氢气流量使样品腔内氢气压强维持在10—^a。衬底温度加热至600K,调 节Ge, Mn的沉积速率分别为0.04nm/s， 0.02nm/s，制得膜厚200nm的H掺杂Mno.3Ge0.7薄膜。
H掺杂Mn(uGeo.7样品的室温磁滞洄线及室温反常霍尔效应分别如图2，图3所示。 实验结果进一步证明了 H掺杂确实增强了 MnxGe"薄膜的磁性。 MnxGe^薄膜中氢的掺入还可以通过以下两种制备工艺实现
1.常规制备所要求Mn含量的Ge薄膜，再在氢气氛中充分进行热处理。 2.常规制备所要求Mn含量的Ge薄膜，然后利用离子注入设备注入氢。 实施例2: H掺杂Mn(nGeo.9磁性半导体薄膜，制备方法如下 用分子束外延的方法，在(0001)三氧化二铝单晶衬底上，生长Mno.)Geo.9薄膜。用 超导量子干涉仪对制备态的Mno」Geo.9薄膜进行的磁性测量结果显示，低到5K的温度， 样品都不具有铁磁性。然后，将该制备态的薄膜放入退火炉，在氢气氛中进行退火处理， 退火温度80(TC，制得H掺杂MrkuGeo.9磁性半导体薄膜。用同样的超导量子干涉仪测量 样品磁性显示，氢气氛中退火后的样品具有室温磁性。
权利要求
1.H掺杂MnxGe1-x磁性半导体薄膜，其特征在于，该材料中掺杂有2at％-35at％的氢原子，x＝0.03-0.6。
2. 如权利要求l所述的H掺杂MnxGe!.x磁性半导体薄膜，其特征在于，该材料的居 里温度不低于270K。
3. 如权利要求1所述的H掺杂Mi^GeLx磁性半导体薄膜，其特征在于，用分子束外延、 脉冲激光沉积、磁控溅射、化学气相沉积或者离子注入的方法在衬底上生长MnxGe,-x薄膜， Mn的掺杂浓度3at%-60at%。
4. 如权利要求l-3所述的H掺杂MnxGe^磁性半导体薄膜，其特征在于，氢原子的掺 入通过以下三种方式之一a. 在氢气氛中生长该薄膜；b. 制备态薄膜在氢气氛中进行热处理；c. 制备态薄膜通过离子注入氢原子。
全文摘要
磁性增强的H掺杂Mn_xGe_1-x磁性半导体薄膜，属于信息技术自旋电子材料领域。该发明通过向Mn_xGe_1-x薄膜中掺杂H且其含量2at％-35at％，获得居里温度＞270K的磁性半导体薄膜。
文档编号H01F41/14GK101299368SQ200810014729
公开日2008年11月5日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者乔瑞敏, 刘国磊, 姚新欣, 孙毅彦, 梅良模, 秦羽丰, 陈延学, 颜世申 申请人:山东大学