专利名称：离子注入法制备AlN基稀释磁性半导体材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用离子注入法制备AlN基稀释磁性半导体薄膜材料的方法。
二、技术背景自从晶体管发明以后，半导体电子技术的所有应用都是基于电子电荷的探索。二十实际末期，大量的研究努力开始集中于电子自旋的应用。利用电子自旋波函数的量子性质(自旋子学)的器件在光电转换，超敏感磁场传感器，特别是用于高速计算的基于量子效应的逻辑和记忆器件的研究方面获得了很大的进展。但是，由于材料的本质(如晶体结构，键，物理和化学性质)不同，直接将电子材料(半导体)和旋转材料(铁磁性金属)融合起来产生很多的问题。另一个解决办法是使用稀释磁性半导体(重掺杂磁性离子的半导体)，可以直接与现有的半导体器件集成。
稀释磁性半导体材料(Diluted Magnetic Semiconductor，DMS)是在非磁性半导体(如IV-VI族、II-VI族或III-V族)中掺杂磁性离子，利用载流子控制技术产生磁性的新型功能材料。通过改变稀释半导体材料中载流子密度可以改变磁性的大小。由于磁性离子局域磁矩与能带电子自旋存在交换作用，因此通过改变磁性杂质浓度和外磁场强度可以有效控制他们的光电、磁光、光吸收和输运特性。它同时应用了电子电荷和电子自旋性质，因而DMS器件可以直接与现有的半导体器件集成，在光、电、磁功能集成等的新型器件方面具有重要的应用。
II-VI族稀释磁性半导体材料已经广泛地被研究了。但是基于III-V族的稀释半导体还没有进行详尽地研究。目前普遍研究的(In，Mn)As和(Ga，Mn)As的居里温度(Tc)都很低(35和110K)。从实际应用的角度考虑，寻找具有更高居里温度的材料是迫切需要的。理论工作表明，宽带隙半导体如GaN和ZnO可能是室温或更高温度下能够实现载流子引起铁磁性的合适的代表性材料。由于氮化镓极其相关材料在短波段蓝色光电子学方面是最有前景的材料；而MnxGa1-xN属于具有独特磁性性质的III-V族稀释磁性半导体材料。因此，基于III族氮化物基的DMS半导体材料研究在最近几年获得了足够的重视。
研究已经显示，相对较低的Mn浓度足够使相对应的MnxGa1-xN产生铁磁性。AlN是与GaN相类似的材料，晶格常数非常接近，因此有望获得AlN基的稀释磁性半导体材料。而AlN基稀释磁性半导体的实现，有望将磁、光、电集成器件的应用扩展到整个可见光的范围。
III-V族DMS半导体材料面临的主要困难是，目前还没有合适的生长方法直接外延生长。由于磁性离子在III-V族DMS材料中较低的溶解度，很难获得不形成第二相的外延材料。离子注入过程是一个引入不同的磁性离子进入不同主材料中的很简便的方法，与其他直接生长方法相比，能够实现较高的离子掺杂浓度，很容易被用于制备自旋极化电流注入装置结构作为选区接触区。所以，在目前没有发现较好的直接外延生长III-V族的DMS半导体材料之前，离子注入是一个令人满意的替代方法。通过离子注入，将Fe、Mn和Ni等磁性离子注入III-V族半导体材料中，可以用来研究DMS材料铁磁性的起源和本质，制备出高质量的磁性半导体材料。
发明内容
本发明目的是，采用离子注入法，将磁性离子(如Mn、Fe、Co或Ni等)注入AlN半导体薄膜中，制备出具有室温下的磁性半导体薄膜材料AlN∶M。M代表铁磁性离子，如Mn、Fe、Co或Ni等。
本发明的技术解决方案是DMS的离子注入法是通过离子注入，将Fe、Mn、Co或Ni等磁性离子注入AlN基半导体材料中，可以用来研究DMS材料铁磁性的起源和本质，制备出高质量的磁性半导体材料。
在本发明中，采用离子注入法，将磁性离子Mn注入AlN基半导体薄膜中，制备出具有较高居里温度的铁磁性半导体薄膜材料AlN∶Mn。本发明将磁性离子如Mn及Fe、Co或Ni等注入AlN半导体薄膜中，即用离子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性离子，然后在850-900℃、NH3气氛条件下退火处理。同样地，我们也用离子注入的方法获得了掺杂其他铁磁性离子(如Fe、Co或Ni等)的AlN基磁性半导体材料。
本发明的机理和特点是DMS离子注入法是通过离子注入，将Fe、Mn、Co或Ni等磁性离子注入AlN基半导体材料中来制备磁性半导体的方法。与其他直接生长方法相比，能够实现较高的离子掺杂浓度，因而可以制备出高居里温度的磁性半导体材料。如AlN∶Mn，退火前高能离子的注入使表面AlN层的晶格被打乱，适当地退火处理以后，Mn已被激活，并取代了AlN晶格中Al的位置，AlN∶Mn表现出较好的质量。
四
图1是室温下AlN∶Mn薄膜的M-H曲线
五具体实施例方式
该方法主要包括一下步骤1、 首先获得高质量AlN薄膜样品，可以采用金属有机物气相外延、分子束外延或氢化物气相外延等方法生长的AlN薄膜。本发明中所例举的AlN样品均是用金属有机物气相外延(MOVPE)的方法在Si衬底上生长的。
2、 以离子注入设备，用离子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性离子Mn。
其Mn的浓度分布峰值在2000处；注入浓度每立方厘米在7×1020～2×1022，通过控制离子流密度及注入时间来获得不同的注入浓度。
3、 在850-900℃、NH3气氛条件下退火处理，时间1小时左右。
4、 按照上述步骤，也可以制备含Fe、Co或Ni等磁性离子的AlN基磁性半导体材料。Fe、Co和Ni等离子的注入浓度范围和注入条件与Mn离子注入条件相同。
利用离子注入的方法，我们成功地获得了室温下的AlN基稀释磁性半导体材料。如AlN∶Mn，其磁学性质如图1所示。X射线衍射结构分析表明，Mn离子被注入AlN并经过退火处理后，Mn离子基本取代了AlN晶格中Al的位置，而不是N位或填隙式。Mn占据Al位后晶格常数没有太大变化。
权利要求
1.离子注入法制备AlN基稀释磁性半导体薄膜材料的方法，其特征是将磁性离子如Mn及Fe、Co或Ni等注入AlN半导体薄膜中，即用离子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性离子，然后在850-900℃、NH3气氛条件下退火处理。
2.由权利要求1所述的离子注入法制备稀释磁性半导体薄膜材料的方法，其特征是注入磁性离子的注入浓度每立方厘米在7×1020～2×1022。
全文摘要
离子注入法制备AlN基稀释磁性半导体薄膜材料的方法,将磁性离子如Mn及Fe、Co或Ni等注入AlN半导体薄膜中,即用离子注入的方法以150～250keV的能量注入磁性离子,然后在850－900℃、NH
文档编号H01F1/40GK1383162SQ02113088
公开日2002年12月4日 申请日期2002年5月31日 优先权日2002年5月31日
发明者张 荣, 徐剑, 修向前, 郑有炓, 顾书林, 沈波, 江若琏, 施毅, 韩平, 朱顺明, 胡立群 申请人:南京大学