[發(fā)明專利]離子注入法制備AlN基稀釋磁性半導(dǎo)體材料的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 02113088.4
• 申請(qǐng)日: 2002-05-31
• 公開（公告）號(hào): CN1383162A
• 公開（公告）日: 2002-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 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(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01F1/40
• 分類號(hào): H01F1/40;H01F41/00;H01L21/265
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所
• 代理人: 陳建和

一、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(chǎng)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(lái)產(chǎn)生很多的問題。另一個(gè)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(guò)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(guò)改變磁性雜質(zhì)濃度和外磁場(chǎng)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(shí)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Mn_xGa_1-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(duì)較低的Mn濃度足夠使相對(duì)應(yīng)的Mn_xGa_1-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(gè)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(zhǎng)方法直接外延生長(zhǎng)。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(guò)程是一個(gè)引入不同的磁性離子進(jìn)入不同主材料中的很簡(jiǎn)便的方法，與其他直接生長(zhǎng)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(zhǎng)III-V族的DMS半導(dǎo)體材料之前，離子注入是一個(gè)令人滿意的替代方法。通過(guò)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(lái)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。

三、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(guò)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(lái)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：