氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法及其電荷濃度的原位調(diào)控方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法及其電荷濃度的原位調(diào)控方法，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的組成化學(xué)式為Zn1-xMnxO，其中0≦x≦0.75，所述制備方法包括：以Zn1-xMnxO陶瓷塊為靶材，采用脈沖激光沉積技術(shù)在鐵電單晶襯底上，沉積Zn1-xMnxO，得到所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜。
【專(zhuān)利說(shuō)明】氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法及其電荷濃度的原位調(diào)控方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明涉及基于鐵電單晶的外延氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備及電荷濃度原位調(diào)控技術(shù)，特別涉及一種可以原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控薄膜中電荷濃度的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]多年來(lái)，信息技術(shù)對(duì)電子電荷與自旋屬性的應(yīng)用是平行發(fā)展的，彼此之間相互獨(dú)立。如果能在一種材料中同時(shí)利用電子的電荷屬性和自旋屬性，可以設(shè)計(jì)很多新型多功能自旋電子器件，并開(kāi)發(fā)新的信息處理模式，從而獲得更快的信息處理速率和更高的信息存儲(chǔ)密度，這無(wú)疑將會(huì)給信息技術(shù)帶來(lái)嶄新的面貌。
[0003]在半導(dǎo)體中摻入少量的磁性離子，使磁性離子隨機(jī)部分取代晶格中的陽(yáng)離子而形成的稀磁半導(dǎo)體，就是一種能同時(shí)利用電子的電荷和自旋屬性，并兼具鐵磁性能和半導(dǎo)體性能的自旋電子學(xué)材料。直接躍迀寬禁帶半導(dǎo)體氧化鋅(ZnO)是研宄最廣泛，性能最豐富的半導(dǎo)體材料，室溫具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，具有較高的激子結(jié)合能，較大的電子迀移率，以及很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。ZnO基稀磁半導(dǎo)體近年來(lái)也成為了研宄熱點(diǎn)。由于更便于進(jìn)行器件設(shè)計(jì)和納米尺度研宄，人們常常研宄ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜。
[0004]稀磁半導(dǎo)體具有豐富的物理機(jī)制，目前科學(xué)界還沒(méi)有達(dá)到共識(shí)。其中載流子濃度是影響其物理性能的關(guān)鍵因素之一。不同的實(shí)驗(yàn)小組嘗試了各種方法改變薄膜中的電荷濃度，從而控制薄膜的物理性能。2006年，Xu等人在Phys.Rev.B上發(fā)表題名“Metal-1nsulator transit1n in co-doped ZnO:Magnetotransport properties，，的文章(Phys.Rev.B 2006, 73，205342)，在藍(lán)寶石單晶襯底上生長(zhǎng)摻鈷氧化鋅薄膜，通過(guò)改變磁性離子的濃度，基片的種類(lèi)，薄膜厚度等條件來(lái)調(diào)節(jié)薄膜中的電荷濃度，從而獲得電荷濃度對(duì)薄膜金屬絕緣轉(zhuǎn)變及磁阻等性質(zhì)的影響規(guī)律。X.H.Xu等人在New Journal of Physics (8卷，135頁(yè)，2008年)報(bào)道了通過(guò)改變摻雜磁性離子的種類(lèi)和濃度，沉積氧壓，薄膜厚度等條件在藍(lán)寶石單晶上制備了具有不同載流子濃度的氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜，并研宄了載流子濃度對(duì)薄膜磁性質(zhì)的影響。上述關(guān)于電荷濃度調(diào)節(jié)的方法都需要制備多個(gè)樣品，無(wú)法確保除電荷濃度之外的其他參數(shù)都保持一致，因此，很難獲得電荷濃度對(duì)稀磁半導(dǎo)體薄膜物理性能的本征影響。此外，文獻(xiàn)報(bào)道中大部分都選用藍(lán)寶石單晶作為稀磁半導(dǎo)體薄膜的襯底，在鐵電單晶上沉積稀磁半導(dǎo)體薄膜的結(jié)果尚未有報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在克服電荷濃度對(duì)稀磁半導(dǎo)體薄膜物理性能本征影響的技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法以及其電荷濃度的原位調(diào)控方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的組成化學(xué)式為ZrvxMnxO，其中0 5x^0.75，所述制備方法包括: 以ZrvxMnxO陶瓷塊為靶材，采用脈沖激光沉積技術(shù)在鐵電單晶襯底上，沉積ZrvxMnxO,得到所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜。
[0007]較佳地，所述ZrvxMnxO陶瓷塊的純度大于99.99 %，所述鐵電單晶包括鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電單晶，取向包括(111)。
[0008]較佳地，所述脈沖激光沉積技術(shù)的工藝參數(shù)包括:先將脈沖激光沉積系統(tǒng)的本底抽真空至蘭5 X 10_4Pa，并加熱襯底至500?600°C，再將反應(yīng)室真空抽至蘭5X10_4Pa，沉積溫度400?750°C，沉積氧壓0.001?IPa，激光能量2?6J/cm2，沉積速率I?5nm/min。
[0009]較佳地，所述沉積氧氣的純度彡99.999%,加熱基材的升溫速率為1_10°C /分鐘，沉積結(jié)束后，以1-10°C /分鐘的降溫速率原位將制得稀磁半導(dǎo)體薄膜冷卻至室溫。
[0010]較佳地，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的厚度為10-200nm。
[0011]又，本發(fā)明還提供了一種原位調(diào)控上述方法制得氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的電荷濃度的方法，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜沉積在鐵電單晶襯底上，所述方法包括:
1)在所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的表面以及鐵電單晶襯底背面分別鍍上金屬電極；
2)在步驟I)制備的兩個(gè)金屬電極上施加直流電場(chǎng)，使得所述鐵電單晶室溫鐵電極化以及極化翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜中電荷濃度的原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控。
[0012]較佳地，所述金屬電極包括金薄膜，銀薄膜。
[0013]較佳地，施加的直流電場(chǎng)大于鐵電單晶襯底的矯頑場(chǎng)。
[0014]較佳地，所述矯頑場(chǎng)為2?2.5kV/cm。
[0015]較佳地，所述方法能夠使得，氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜室溫電阻變化率達(dá)20% -600%:隨著薄膜沉積氧壓的增大，薄膜室溫載流子濃度減小，襯底極化翻轉(zhuǎn)引起的薄膜電阻相對(duì)變化值相應(yīng)增大。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
本發(fā)明的有益結(jié)果是實(shí)現(xiàn)了氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜在鐵電單晶上的外延生長(zhǎng)，利用鐵電單晶極化產(chǎn)生的表面電荷原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控薄膜中的載流子濃度，一方面可以得到電荷濃度對(duì)薄膜物理性能的本征影響，另一方面，室溫下，襯底極化翻轉(zhuǎn)對(duì)薄膜電阻的可逆、非易失性調(diào)控可用于存儲(chǔ)器件原型。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中制備的Ζηα95Μηα(ι50/ΡΜΝ-29ΡΤ異質(zhì)結(jié)構(gòu)、并對(duì)Zna95Mnaci5O薄膜中電荷濃度進(jìn)行原位調(diào)控的示意圖；
圖2示出了實(shí)施例1中制備Zna 95Μη0.050/ΡΜΝ-29ΡΤ (111)的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果，其中
(a)為XRD圖譜，(a)中插圖為Zna95Mnatl5O薄膜表面原子力顯微鏡(AFM)圖，(b)為Zna95Mna05O(1-1l)面和PMN-29PT (001)面phi掃描圖，(c)為低分辨透射電鏡(TEM)圖片(d)為Zna95Mnatl5O和PMN-PT面內(nèi)原子匹配關(guān)系圖；
圖3示出了實(shí)施例1所制得Zna95Mnatl5O薄膜電阻隨著施加在PMN-29PT襯底上的雙極性電壓的變化(a)以及PMN-29PT單晶室溫電滯回線及雙極性應(yīng)變曲線(b)；
圖4示出了實(shí)施例1所制得的Zna95Mnatl5O薄膜在不同溫度，以及襯底不同極化態(tài)的磁阻曲線； 圖5示出了實(shí)施例2所制得的Zna95Mnatl5O薄膜電阻隨著施加在PMN-29PT襯底上的雙極性電壓的變化；
圖6示出了實(shí)施例3所制得的Zna95Mnatl5O薄膜電阻隨著施加在PMN-29PT襯底上的雙極性電壓的變化。

【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明提供了一種基于鐵電單晶的外延氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法。本發(fā)明的目的還在于提供一種原位調(diào)控稀磁半導(dǎo)體薄膜電荷濃度的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:將氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜沉積在具有優(yōu)異鐵電、壓電性能的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛單晶襯底上。
[0020]本發(fā)明涉及基于鐵電單晶襯底的外延ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備及電荷濃度原位調(diào)控的方法。本發(fā)明選用(111)取向的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛((1-^ )PbMgl73Nb273O3-Xr PbT13, PMN-Xr PT，0.28 芻 x' ^ 0.34)鐵電單晶作為襯底，實(shí)現(xiàn)了 ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜(ZrvxMnxO,O ^ x ^ 0.75)在其上的外延生長(zhǎng)。選用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的(111)PMN-x/ PT單晶為襯底，通過(guò)單疇匹配實(shí)現(xiàn)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO基稀磁半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)，良好的外延界面是實(shí)現(xiàn)界面電荷調(diào)控的關(guān)鍵。在PMN-W PT鐵電單晶上施加直流電場(chǎng)，PMN-PT極化產(chǎn)生的表面電荷可以原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的電荷濃度。一方面，電荷濃度的原位調(diào)控為獲得電荷濃度對(duì)稀磁半導(dǎo)體薄膜物理性能的本征影響提供了有效途徑。另一方面，室溫時(shí)，PMN-x' PT鐵電單晶極化翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了稀磁半導(dǎo)體薄膜電阻的可逆、非易失性調(diào)控，可以用作存儲(chǔ)器件原型。本發(fā)明的薄膜制備及原位電荷濃度調(diào)控方法可以拓展到其他稀磁半導(dǎo)體薄膜領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
[0021]所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜在鐵電單晶襯底上外延生長(zhǎng)。
[0022]基于鐵電單晶的外延ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜，其成分復(fù)合化學(xué)式為ZrvxMnxO，其中
O芻 X 芻 0.75。
[0023]所述襯底為(111)取向的鈮鎂酸鉛鈦酸鉛((1-? ) PbMgl73Nb273O3-X r PbT13,PMN-x' PT)鐵電單晶，其中 0.28 蘭 X' ^ 0.34。
[0024]所述薄膜的厚度為10_200nm。經(jīng)檢測(cè)，本發(fā)明制得的薄膜高度c軸擇優(yōu)取向，外延生長(zhǎng)，表面平整。
[0025]所述制備方法包括:高純ZrvxMnxO陶瓷塊為靶材，在單面拋光的(Ill)PMN-? PT單晶襯底上進(jìn)行脈沖激光沉積，得到所述ZrvxMnxO薄膜，其中，脈沖激光沉積技術(shù)的參數(shù)為:將單面拋光的(111)取向的PMN-x' PT襯底放入脈沖激光沉積系統(tǒng)的反應(yīng)室中，將脈沖激光沉積系統(tǒng)的本底抽真空至f 5X10_4Pa，加熱襯底至500?600°C，再將反應(yīng)室真空抽至蘭5X 10_4Pa ；以高純度ZrvxMnxO陶瓷靶作為靶材，沉積溫度400?750°C，沉積氧壓
0.001?IPa，激光能量2?6J/cm2，沉積速率I?5nm/min。
[0026]所述高純ZrvxMnxO陶瓷塊的純度大于99.99%。
[0027]所述沉積氧氣的純度多99.999%，采用高純氧氣體可將環(huán)境帶入雜質(zhì)的影響降到最低，提高制備薄膜的質(zhì)量。
[0028]加熱基材的升溫速率為1-10 °C /分鐘。
[0029]沉積結(jié)束后，以1-10°C /分鐘的降溫速率原位將制得稀磁半導(dǎo)體薄膜冷卻至室溫。
[0030]本發(fā)明還提供了一種原位調(diào)控薄膜載流子濃度的方法。所述的基于鐵電單晶的外延ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的電荷濃度原位調(diào)控方法，所述方法包括:
步驟(I)采用磁控濺射在ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的表面以及鐵電單晶襯底的背面鍍上金屬薄膜作為上下底電極；
步驟(2)，通過(guò)步驟(I)制備的上下電極在鐵電單晶襯底上施加直流電場(chǎng)(直流電壓)，實(shí)現(xiàn)單晶襯底的鐵電極化以及極化翻轉(zhuǎn)。鐵電單晶極化產(chǎn)生的表面電荷可以原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控薄膜中的電荷濃度。經(jīng)檢測(cè)，利用鐵電單晶襯底的極化態(tài)的改變，可以原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控薄膜中的載流子濃度，從而改變薄膜的電阻、磁阻等物理性能。
[0031]所施加的直流電場(chǎng)大于鐵電單晶的矯頑場(chǎng)(2?2.5kV/cm)。
[0032]鐵電單晶室溫極化翻轉(zhuǎn)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述薄膜電阻的可逆、非易失性調(diào)控，電阻變化率達(dá)20%-600%。PMN-V PT襯底不同極化態(tài)對(duì)應(yīng)的薄膜電阻、磁阻值均有差異。
[0033]所述鐵電單晶的極化態(tài)會(huì)影響所述薄膜與電荷相關(guān)的物理性質(zhì)，如磁阻，從而可以分析電荷濃度對(duì)物理性質(zhì)的本征影響。
[0034]本發(fā)明涉及基于鐵電單晶的外延氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備及原位電荷濃度調(diào)控的方法。選用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的(lll)PMN-x' PT單晶為襯底，通過(guò)單疇匹配實(shí)現(xiàn)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO基稀磁半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)，良好的外延界面是實(shí)現(xiàn)界面電荷調(diào)控的關(guān)鍵。然后，利用PMN-xPT鐵電單晶極化產(chǎn)生的表面電荷調(diào)控ZnO基稀磁半導(dǎo)體薄膜的電荷濃度。本發(fā)明調(diào)控薄膜中載流子濃度的技術(shù)特點(diǎn)是:針對(duì)同一個(gè)樣品，通過(guò)在鐵電單晶襯底施加電場(chǎng)原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控薄膜中的電荷濃度。相比文獻(xiàn)報(bào)道的改變磁性離子的濃度，基片的種類(lèi)，生長(zhǎng)薄膜的氧分壓，薄膜厚度等條件來(lái)改變薄膜中的電荷濃度，該方法排除其他因素對(duì)薄膜物理性能的可能影響，可以獲得“電荷濃度-物理性能”之間的本征關(guān)系。
[0035]本發(fā)明取得的有益效果是:本發(fā)明巧妙而有效地利用在(111)取向的PMN-X^ PT鐵電單晶襯底上實(shí)現(xiàn)氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)并利用其鐵電極化及極化翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜電荷濃度的原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控，進(jìn)而有效調(diào)節(jié)薄膜與電荷相關(guān)的物理性能。
[0036]以下進(jìn)一步列舉出一些示例性的實(shí)施例以更好地說(shuō)明本發(fā)明。應(yīng)理解，本發(fā)明詳述的上述實(shí)施方式，及以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外，下述工藝參數(shù)中的具體配比、時(shí)間、溫度等也僅是示例性，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在上述限定的范圍內(nèi)選擇合適的值。
[0037]實(shí)施例1:
(I)薄膜制備:以高純(^ 99.99% ) Zna95Mna05O陶瓷塊為靶材，將單面拋光的(111)取向0.7IPbMgl73Nb273O3-0.29PbTi03(PMN-29PT)放入脈沖激光沉積裝置的反應(yīng)室中，本底真空抽到蘭5\10-4?&，加熱襯底至600°〇，再將真空抽至4父10_4?&;以高純(彡99.999% )02作為反應(yīng)氣體，反應(yīng)室壓強(qiáng)為0.0lPa,激光能量5J/cm2，襯底和靶材距離為7cm，進(jìn)行薄膜沉積得到Zna95Mnatl5O薄膜(在此，我們近似認(rèn)為薄膜中Mn元素的含量與陶瓷塊相同)； (2)電極制備:在Zna95Mnatl5O薄膜的表面以及PMN-29PT襯底的背面濺射金電極。得到如圖1所示的結(jié)構(gòu)；
(3)結(jié)構(gòu)表征:圖2(a)中的XRD圖譜表明所制備的Zna95Mnatl5O薄膜表現(xiàn)出較強(qiáng)的(001) (I = 2,4)衍射峰，并沒(méi)有觀察到其他取向的衍射峰或者二次相雜峰，驗(yàn)證了所制備的Zna95Mnatl5O薄膜為純相纖鋅礦結(jié)構(gòu)并且c軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)。原子力顯微鏡(AFM，圖2(a)的插圖)分析顯示樣品表面粗糙度約為1.17nm，表明薄膜表面均勻平整。圖2 (b)是Zna95Mnatl5O(1-1l)和PMN-29PT(001)面的-scan圖，可以看出薄膜呈現(xiàn)六重峰，襯底呈現(xiàn)三重峰，表明薄膜在襯底上為單疇外延生長(zhǎng)。由phi峰的相對(duì)位置可以判斷襯底與薄膜的外延關(guān)系為:<ll-20>Zn0 95Mn0 050 Il <0-11>ΡΜΝ_29ΡΤ (面內(nèi))，〈0002>Zn0 95Mn0 050 Il <111>PMN-29PT (面外)。面內(nèi)原子匹配關(guān)系如圖2 (b)所示。圖2 (c)是低分辨的TEM圖像，Zn0.95Mn0.050薄膜均勻、連續(xù)、平整地分布在PMN-29PT襯底上，薄膜厚度約為130nm ；
(4)電輸運(yùn)性質(zhì):如圖3(a)所示，室溫時(shí)，實(shí)施例1所制得的Zna95Mnatl5O薄膜電阻隨著施加在PMN-29PT襯底上的雙極性電場(chǎng)的變化曲線為與襯底電滯回線相一致的方形。從襯底電滯回線及應(yīng)變曲線對(duì)稱(chēng)性的差別(圖3(b))，我們可以排除應(yīng)變效應(yīng)的影響，薄膜電阻變化主要源于界面電荷效應(yīng)。PMN-29PT襯底正極化態(tài)(P/)對(duì)應(yīng)Zna95Mnatl5O薄膜電阻為33k Ω，PMN-29PT襯底負(fù)極化態(tài)(Pf)對(duì)應(yīng)Zn。.95Mn0.050薄膜電阻為57k Ω，因此，室溫襯底極化翻轉(zhuǎn)引起薄膜電阻的相對(duì)變化值(AR/R= [R (PrO-R (P；)]/R (P；))為70% ;
(5)磁輸運(yùn)性質(zhì):圖4實(shí)施例1所制得Zna95Mntltl5O薄膜的磁阻。PMN-29PT襯底的極化態(tài)會(huì)影響薄膜的磁阻，從而進(jìn)一步可以分析電荷濃度對(duì)薄膜磁阻性能的本征影響機(jī)制；
(6)霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明實(shí)施例1制備的Zna95Mnatl5O薄膜載流子類(lèi)型為η型，室溫載流子濃度約?4Χ 1018/cm3。
[0038]實(shí)施例2:
(1)制備工藝基本同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于沉積氧壓為0.1Pa ;
(2)圖5為實(shí)施例2所制備的Zna95Mnatl5O薄膜電阻隨著施加在PMN-29PT襯底上的雙極性電壓的變化曲線同為與PMN-29PT電滯回線相一致的方形，體系耦合機(jī)制為界面電荷效應(yīng)。室溫PMN-29PT襯底極化翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的薄膜電阻相對(duì)變化為100% ；
(3)霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明實(shí)施例2制備的Zna95Mnatl5O薄膜載流子類(lèi)型為η型，室溫載流子濃度約?2.5Χ 1018/cm3。
[0039]實(shí)施例3:
(1)制備工藝基本同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于沉積氧壓為0.5Pa ;
(2)圖6為實(shí)施例3所制備的Zna95Mnatl5O薄膜電阻隨著施加在PMN-29PT襯底上的雙極性電壓的變化曲線同為與PMN-29PT電滯回線相一致的方形，體系耦合機(jī)制為界面電荷效應(yīng)。室溫PMN-29PT襯底極化翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的薄膜電阻相對(duì)變化為286% ；
(3)霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果表明實(shí)施例3制備的Zna95Mnatl5O薄膜載流子類(lèi)型為η型，室溫載流子濃度約?1.3Χ 1018/cm3。
[0040]綜合比較實(shí)施例1，2，3所制得2%9鄭。.(150^^-29?1(111)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著薄膜沉積氧壓的增大，薄膜室溫載流子濃度減小，襯底極化翻轉(zhuǎn)引起的薄膜電阻相對(duì)變化值相應(yīng)增大，從而說(shuō)明界面電荷效應(yīng)在較低的載流子濃度的薄膜體系中更加明顯。
【權(quán)利要求】
1.一種氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的制備方法，其特征在于，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的組成化學(xué)式為ZrvxMnxO，其中0 5x^0.75，所述制備方法包括: 以ZrvxMnxO陶瓷塊為靶材，采用脈沖激光沉積技術(shù)在鐵電單晶襯底上，沉積ZrvxMnxO,得到所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述Zn^xMnxO陶瓷塊的純度大于99.99%，所述鐵電單晶包括鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛鐵電單晶，取向包括(111)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述脈沖激光沉積技術(shù)的工藝參數(shù)包括:先將脈沖激光沉積系統(tǒng)的本底抽真空至f 5X 10_4Pa，并加熱襯底至500?600°C，再將反應(yīng)室真空抽至蘭5X 10_4Pa，沉積溫度400?750°C，沉積氧壓0.001?IPa，激光能量2?6J/cm2，沉積速率I?5nm/分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述沉積氧氣的純度多99.999%，加熱基材的升溫速率為1-1o°c /分鐘，沉積結(jié)束后，以1-10°C /分鐘的降溫速率原位將制得稀磁半導(dǎo)體薄膜冷卻至室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的制備方法，其特征在于，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的厚度為10-200nmo
6.一種調(diào)控權(quán)利要求1-5中任一所述方法制得氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的原位電荷濃度的方法，其特征在于，所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜沉積在鐵電單晶襯底上，所述方法包括: 1)在所述氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜的表面以及鐵電單晶襯底背面分別鍍上金屬電極； 2)在步驟I)制備的兩個(gè)金屬電極上施加直流電場(chǎng)，使得所述鐵電單晶室溫鐵電極化以及極化翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜中電荷濃度的原位、動(dòng)態(tài)調(diào)控。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述金屬電極包括金薄膜，銀薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，施加的直流電場(chǎng)大于鐵電單晶襯底的矯頑場(chǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述矯頑場(chǎng)為2-2.5kV/cm0
10.根據(jù)權(quán)利要求6-8所述的方法，其特征在于，所述方法能夠使得，氧化鋅基稀磁半導(dǎo)體薄膜電阻變化率達(dá)到20%-600%:隨著薄膜沉積氧壓的增大，薄膜室溫載流子濃度減小，襯底極化翻轉(zhuǎn)引起的薄膜電阻相對(duì)變化值相應(yīng)增大。
【文檔編號(hào)】H01L21/363GK104480427SQ201410723315
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】朱秋香, 鄭仁奎, 李效民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所