专利名称：一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法
技术领域：
本发明涉及稀磁半导体材料和离子注入技术领域，具体的说是一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法。
背景技术：
将某些过渡金属元素如Mn、Co等掺杂入半导体中形成的稀磁半导体是近年来在自旋电子学研究领域中受到广泛关注的研究热点。因其同时具有铁磁性和半导体性质，同时利用了电子的电荷自由度和自旋自由度，是研制新型自旋电子器件，如自旋隧穿二极管， 自旋发光二极管的关键材料。由于Si是现代工业的基础材料，一旦Si基稀磁半导体制备和性能方面获得突破，其应用前景不可估量。目前制备Si基稀磁半导体材料的主要方法有外延法和单束离子注入法，其中主要采用Mn作为掺杂离子。但是由于过渡金属Mn在Si中的溶解度极低，掺杂溶度高的时候容易形成第二相，导致Si的晶体质量下降，性能变差，而且过渡金属元素其本身磁矩较小， 所以给获得高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体带来了难度。越来越多的实验报道表明，Si 基稀磁半导体的磁性与注入时引入的缺陷有很大关系，因此在引入缺陷的同时保证Si材料的整体晶体性质是现阶段的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，通过注入两束不同的离子以获得高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体。本发明一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其步骤如下
⑴对Si单晶基体样品进行过渡族金属离子注入，注入剂量为I X IO16 I X IO1Vcm2 ； ⑵在保护气氛中将上述步骤⑴得到的样品快速热退火，退火温度不低于500°C，退火时
间不低于5分钟；
⑶对上述步骤⑵得到的样品进行零族离子注入。所述步骤⑶注入的零族离子与步骤⑴注入的过渡族金属离子的投影射程 (Project Range) 一致。所述过渡族金属离子为Mn或Cr。所述保护气氛为N2、Ar气体氛围。所述零族离子为He离子。所述步骤⑶中零族离子的注入剂量为I X IO15 I X 1016/cm2。本发明一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法的优点是由于相同能量的零族离子比过渡族金属离子的注入深度深，为保持零族离子与过渡族金属离子的投影射程在同一位置，选择能量时零族离子的能量远小于过渡族金属离子的能量。利用本发明可以获得居里温度(Tc)高于室温的Si基稀磁半导体材料，且该Si基稀磁半导体材料的饱和磁化强度有大幅提升，其饱和磁化强度为单束注入法获得的的Si基稀磁半导体的饱和磁化强度的2. 5-6倍。
图I为按照本发明提供的方法制备的Si基稀磁半导体注入不同剂量的He之后的掠入射X射线衍射(GIXRD)图。图2为按照本发明提供的方法制备的Si基稀磁半导体在IOK温度下的磁滞回线图。图3为按照本发明提供的方法制备的Si基稀磁半导体在300K温度下的磁滞回线图。图4为按照本发明提供的方法注入不同剂量的He获得的Si基稀磁半导体在300K 温度下的磁滞回线图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明进行进一步说明根据图1-4所示，一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其步骤如下
⑴对Si单晶基体样品进行过渡族金属离子注入；
⑵在保护气氛中将上述步骤⑴得到的样品快速热退火，恢复离子注入造成的损伤，并激活使材料产生铁磁性的注入离子；
⑶对上述步骤⑵得到的样品进行零族离子注入，使先前注入的离子通过增强扩散在基体中重新分布，且引入新的缺陷，即在过渡离子层和衬底之间形成一个交界层，增强样品磁性。所述步骤⑶的零族离子与步骤⑴的过渡族金属离子注入区间一致。由于相同能量的零族离子比过渡族金属离子的注入深度深，为保持注入的零族离子与注入的过渡族金属离子的投影射程在同一位置，选择能量时零族离子的能量远小于过渡族金属离子的能量。所述过渡族金属离子为Mn或Cr。所述保护气氛为N2、Ar气体氛围。所述零族离子为He离子。所述步骤⑶中零族离子的注入剂量为I X IO15 I X 1016/cm2。
采用上海合晶厂制造的(001)方向生长的单晶P型Si片，厚度为525 μ m，载流子浓度为 3. 285 X IO19 /cm3,电阻为 O. 085 Ω · cm ;
在此Si片上注入200keV Mn离子，注入剂量为I X IO1Vcm2 ；
注入Mn的样品放入快速热退火炉中快速热退火5分钟，退火温度为800°C ；
退火后样品进行17keV He离子注入，注入剂量分别为IXlO1Vcm2和lX1016/cm2 ； 对由以上步骤获得的样品进行样品测试，并与单束Mn离子注入(注入剂量为I X IO16/ cm2)的样品进行比较，说明用此方法制备的Si基稀磁半导体不仅保证了 Si样品的整体晶体性质，且其饱和磁化强度远高于单束Mn离子注入制的Si基稀磁半导体。如图I所示，使用GIXRD证实注入不同剂量的He离子之后，样品只有Si的(111)、(220)和(311)峰，没有发现第二相的衍射峰。如图2和图3所示，超导量子干涉仪(SQUID) 测试方法证实样品在IOK和300K下有明显的磁滞现象,饱和磁化强度6. 5X 1(T4 emu/cm2 (IOK)和5. 6X10_4 emu/cm2 (300K)，且双束离子注入的饱和磁化强度比单束Mn离子注入的样品增强500%-600%。如图4所示，注入He剂量为I X 1016/cm2的样品也发现了室温铁磁性(饱和磁化强度2. 9X 10_4 emu/cm2)，且比单束Mn离子注入的样品增强了约250%。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其特征在于包括如下步骤 ⑴对Si单晶基体样品进行过渡族金属离子注入；⑵在保护气氛中将上述步骤⑴得到的样品快速热退火；⑶对上述步骤⑵得到的样品进行零族离子注入。
2.根据权利要求I所述的一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其特征在于所述步骤⑶注入的零族离子与步骤⑴注入的过渡族金属离子的投影射程一致。
3.根据权利要求I或2所述的一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其特征在于所述过渡族金属离子为Mn或Cr。
4.根据权利要求I或2所述的一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其特征在于所述零族离子为He离子。
5.根据权利要求I或2所述的一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其特征在于所述步骤⑶中零族离子的注入剂量为IX IO15 IX IOlfVcm2。
全文摘要
一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法，其步骤包括⑴对Si单晶基体样品进行过渡族金属离子注入；⑵在保护气氛中将上述步骤⑴得到的样品快速热退火；⑶对上述步骤⑵得到的样品进行零族离子注入。其优点是利用本发明可以获得居里温度(Tc)高于室温的Si基稀磁半导体材料，且该Si基稀磁半导体材料的饱和磁化强度有大幅提升，其饱和磁化强度为单束注入法获得的Si基稀磁半导体的饱和磁化强度的2.5-6倍。
文档编号H01F1/40GK102605432SQ20121010610
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者李铁成, 罗凤凤, 郭立平, 陈济鸿 申请人:武汉大学