專利名稱：離子注入法制備AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用離子注入法制備AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體薄膜材料的方法。
二、技術(shù)背景自從晶體管發(fā)明以后，半導(dǎo)體電子技術(shù)的所有應(yīng)用都是基于電子電荷的探索。二十實(shí)際末期，大量的研究努力開始集中于電子自旋的應(yīng)用。利用電子自旋波函數(shù)的量子性質(zhì)(自旋子學(xué))的器件在光電轉(zhuǎn)換，超敏感磁場傳感器，特別是用于高速計(jì)算的基于量子效應(yīng)的邏輯和記憶器件的研究方面獲得了很大的進(jìn)展。但是，由于材料的本質(zhì)(如晶體結(jié)構(gòu)，鍵，物理和化學(xué)性質(zhì))不同，直接將電子材料(半導(dǎo)體)和旋轉(zhuǎn)材料(鐵磁性金屬)融合起來產(chǎn)生很多的問題。另一個解決辦法是使用稀釋磁性半導(dǎo)體(重?fù)诫s磁性離子的半導(dǎo)體)，可以直接與現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件集成。
稀釋磁性半導(dǎo)體材料(Diluted Magnetic Semiconductor，DMS)是在非磁性半導(dǎo)體(如IV-VI族、II-VI族或III-V族)中摻雜磁性離子，利用載流子控制技術(shù)產(chǎn)生磁性的新型功能材料。通過改變稀釋半導(dǎo)體材料中載流子密度可以改變磁性的大小。由于磁性離子局域磁矩與能帶電子自旋存在交換作用，因此通過改變磁性雜質(zhì)濃度和外磁場強(qiáng)度可以有效控制他們的光電、磁光、光吸收和輸運(yùn)特性。它同時應(yīng)用了電子電荷和電子自旋性質(zhì)，因而DMS器件可以直接與現(xiàn)有的半導(dǎo)體器件集成，在光、電、磁功能集成等的新型器件方面具有重要的應(yīng)用。
II-VI族稀釋磁性半導(dǎo)體材料已經(jīng)廣泛地被研究了。但是基于III-V族的稀釋半導(dǎo)體還沒有進(jìn)行詳盡地研究。目前普遍研究的(In，Mn)As和(Ga，Mn)As的居里溫度(Tc)都很低(35和110K)。從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，尋找具有更高居里溫度的材料是迫切需要的。理論工作表明，寬帶隙半導(dǎo)體如GaN和ZnO可能是室溫或更高溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)載流子引起鐵磁性的合適的代表性材料。由于氮化鎵極其相關(guān)材料在短波段藍(lán)色光電子學(xué)方面是最有前景的材料；而MnxGa1-xN屬于具有獨(dú)特磁性性質(zhì)的III-V族稀釋磁性半導(dǎo)體材料。因此，基于III族氮化物基的DMS半導(dǎo)體材料研究在最近幾年獲得了足夠的重視。
研究已經(jīng)顯示，相對較低的Mn濃度足夠使相對應(yīng)的MnxGa1-xN產(chǎn)生鐵磁性。AlN是與GaN相類似的材料，晶格常數(shù)非常接近，因此有望獲得AlN基的稀釋磁性半導(dǎo)體材料。而AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體的實(shí)現(xiàn)，有望將磁、光、電集成器件的應(yīng)用擴(kuò)展到整個可見光的范圍。
III-V族DMS半導(dǎo)體材料面臨的主要困難是，目前還沒有合適的生長方法直接外延生長。由于磁性離子在III-V族DMS材料中較低的溶解度，很難獲得不形成第二相的外延材料。離子注入過程是一個引入不同的磁性離子進(jìn)入不同主材料中的很簡便的方法，與其他直接生長方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的離子摻雜濃度，很容易被用于制備自旋極化電流注入裝置結(jié)構(gòu)作為選區(qū)接觸區(qū)。所以，在目前沒有發(fā)現(xiàn)較好的直接外延生長III-V族的DMS半導(dǎo)體材料之前，離子注入是一個令人滿意的替代方法。通過離子注入，將Fe、Mn和Ni等磁性離子注入III-V族半導(dǎo)體材料中，可以用來研究DMS材料鐵磁性的起源和本質(zhì)，制備出高質(zhì)量的磁性半導(dǎo)體材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是，采用離子注入法，將磁性離子(如Mn、Fe、Co或Ni等)注入AlN半導(dǎo)體薄膜中，制備出具有室溫下的磁性半導(dǎo)體薄膜材料AlN∶M。M代表鐵磁性離子，如Mn、Fe、Co或Ni等。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是DMS的離子注入法是通過離子注入，將Fe、Mn、Co或Ni等磁性離子注入AlN基半導(dǎo)體材料中，可以用來研究DMS材料鐵磁性的起源和本質(zhì)，制備出高質(zhì)量的磁性半導(dǎo)體材料。
在本發(fā)明中，采用離子注入法，將磁性離子Mn注入AlN基半導(dǎo)體薄膜中，制備出具有較高居里溫度的鐵磁性半導(dǎo)體薄膜材料AlN∶Mn。本發(fā)明將磁性離子如Mn及Fe、Co或Ni等注入AlN半導(dǎo)體薄膜中，即用離子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性離子，然后在850-900℃、NH3氣氛條件下退火處理。同樣地，我們也用離子注入的方法獲得了摻雜其他鐵磁性離子(如Fe、Co或Ni等)的AlN基磁性半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明的機(jī)理和特點(diǎn)是DMS離子注入法是通過離子注入，將Fe、Mn、Co或Ni等磁性離子注入AlN基半導(dǎo)體材料中來制備磁性半導(dǎo)體的方法。與其他直接生長方法相比，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的離子摻雜濃度，因而可以制備出高居里溫度的磁性半導(dǎo)體材料。如AlN∶Mn，退火前高能離子的注入使表面AlN層的晶格被打亂，適當(dāng)?shù)赝嘶鹛幚硪院?，Mn已被激活，并取代了AlN晶格中Al的位置，AlN∶Mn表現(xiàn)出較好的質(zhì)量。
四

圖1是室溫下AlN∶Mn薄膜的M-H曲線
五具體實(shí)施例方式
該方法主要包括一下步驟1、 首先獲得高質(zhì)量AlN薄膜樣品，可以采用金屬有機(jī)物氣相外延、分子束外延或氫化物氣相外延等方法生長的AlN薄膜。本發(fā)明中所例舉的AlN樣品均是用金屬有機(jī)物氣相外延(MOVPE)的方法在Si襯底上生長的。
2、 以離子注入設(shè)備，用離子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性離子Mn。
其Mn的濃度分布峰值在2000處；注入濃度每立方厘米在7×1020～2×1022，通過控制離子流密度及注入時間來獲得不同的注入濃度。
3、 在850-900℃、NH3氣氛條件下退火處理，時間1小時左右。
4、 按照上述步驟，也可以制備含F(xiàn)e、Co或Ni等磁性離子的AlN基磁性半導(dǎo)體材料。Fe、Co和Ni等離子的注入濃度范圍和注入條件與Mn離子注入條件相同。
利用離子注入的方法，我們成功地獲得了室溫下的AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體材料。如AlN∶Mn，其磁學(xué)性質(zhì)如圖1所示。X射線衍射結(jié)構(gòu)分析表明，Mn離子被注入AlN并經(jīng)過退火處理后，Mn離子基本取代了AlN晶格中Al的位置，而不是N位或填隙式。Mn占據(jù)Al位后晶格常數(shù)沒有太大變化。
權(quán)利要求
1.離子注入法制備AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征是將磁性離子如Mn及Fe、Co或Ni等注入AlN半導(dǎo)體薄膜中，即用離子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性離子，然后在850-900℃、NH3氣氛條件下退火處理。
2.由權(quán)利要求1所述的離子注入法制備稀釋磁性半導(dǎo)體薄膜材料的方法，其特征是注入磁性離子的注入濃度每立方厘米在7×1020～2×1022。
全文摘要
離子注入法制備AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體薄膜材料的方法,將磁性離子如Mn及Fe、Co或Ni等注入AlN半導(dǎo)體薄膜中,即用離子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性離子,然后在850－900℃、NH
文檔編號H01F1/40GK1383162SQ02113088
公開日2002年12月4日 申請日期2002年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者張 榮, 徐劍, 修向前, 鄭有炓, 顧書林, 沈波, 江若璉, 施毅, 韓平, 朱順明, 胡立群 申請人:南京大學(xué)