[发明专利]一种制备稀磁半导体薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及稀磁半导体薄膜制备技术领域，特别指一种采用稀土 元素双能态离子注入法制备稀磁半导体薄膜的方法。

背景技术

稀磁半导体材料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。III族氮化物半导体材料具有优良的半导体性能和大规模 产业化应用的基础，与磁学性能相结合可能研制出集成磁、光、电特 性于一体的新型自旋电子器件，如自旋隧穿二极管，自旋发光二极管， 在量子计算、量子通讯等现代信息技术领域中有十分重要的应用前景。

但是由于磁性金属元素在半导体材料中的溶解度低，掺杂浓度较 高时容易有第二相析出，难以同时获得较好的磁学性能和半导体性能。 在本发明以前，经常采用制备稀磁半导体薄膜的方法有：用外延或离 子注入法制备过渡族金属元素如Mn、Cr、Fe等掺杂的稀磁半导体薄 膜。

由于过渡族金属元素磁矩较小，且在半导体材料中溶解度很低， 掺杂浓度较高时，容易在制备过程中形成第二相，导致材料的晶体质 量下降，半导体性能变差。而掺杂浓度较低时，稀磁半导体薄膜的磁 性非常微弱，给自旋电子器件的制作带来了难度。

而稀土金属离子掺入III族氮化物半导体中，能够对周围的三族阳 离子和氮离子产生长程自旋极化作用，在极低掺杂浓度(＜0.1％)下获 得较强的磁性，且更易于进行n型或p型掺杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种采用稀土元素双能态 离子注入法制备稀磁半导体薄膜的方法，以获得具有较好的磁学性能 和半导体性能的稀磁半导体薄膜。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种制备稀磁半导体薄膜的方法， 该方法包括：

选择一III族氮化物半导体薄膜材料；

在该半导体薄膜材料表面采用双能态离子注入法注入稀土金属离 子；

将注入稀土金属离子后的样品送入快速退火炉在氮气氛中退火。

上述方案中，所述选择一III族氮化物半导体薄膜材料的步骤，通 过以下方式实现：采用金属有机物气相沉积法或分子束外延方法，在 衬底上外延生长一III族氮化物半导体薄膜层。

上述方案中，所述半导体薄膜材料是氮化镓、氮化铝、氮化铟及 其合金。

上述方案中，所述半导体薄膜材料的厚度为1至5μm。

上述方案中，所述离子注入时样品温度为300至500℃，注入的稀 土金属离子为钆(Gd)离子或钐(Sm)离子，双能态注入的低端能量 值为150至300KeV，对应的剂量为10¹²至10¹⁴cm^-2，高端能量值为350 至550KeV，对应的剂量为10¹²至10¹⁴cm^-2。

上述方案中，所述离子注入之后的退火温度为700至1000℃，退 火时间为4至6分钟。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种制备稀磁半导体薄膜的方法，通过采用双能 态离子注入将稀土金属离子到III族氮化物半导体薄膜表面，并控制离 子注入时的参数，如注入时的温度、能量和剂量，以及退火温度和时 间，来获得晶体质量较好的稀磁半导体薄膜。

2、本发明提供的这种制备稀磁半导体薄膜的方法，利用稀土金属 离子对三族氮化物半导体晶格原子的长程自旋极化作用，能够在微量 掺杂的情况下，同时获得较强的磁学性能并保持良好的晶格质量和半 导体性能，进而获得了具有较好的磁学性能和半导体性能的稀磁半导 体薄膜。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明作一详细的 描述，其中，

图1是本发明提供的制备稀磁半导体薄膜的方法流程图；

图2是本发明提供的稀土元素双能态离子注入制备稀磁半导体薄 膜的机构示意图；

图3是本发明提供的Sm离子注入GaN基稀磁半导体的粉末X射 线衍射图；

图4是本发明提供的Sm离子注入GaN基稀磁半导体在10K和 300K温度下的磁滞回线；

图5是本发明提供的Sm离子注入GaN基稀磁半导体在场冷(FC) 和零场冷(ZFC)条件下磁化强度随温度变化的曲线图。