[發(fā)明專利]一種提高離子注入GaN基稀磁半導體材料室溫鐵磁性的熱退火方法

有效

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• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109440075B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設計）人: 梁李敏;劉彩池;李英
• 申請（專利權）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/58;C23C16/34;H01F1/40;H01F41/14;H01F41/32
• 代理公司: 天津翰林知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發(fā)明為一種提高離子注入GaN基稀磁半導體材料室溫鐵磁性的熱退火方法。該方法首先將非磁性離子注入到GaN基底中，對該樣品進行快速熱退火處理，然后將磁性金屬注入到經(jīng)過退火處理的離子注入GaN基底中，對雙離子注入的GaN樣品進行第二次快速熱退火處理，兩次熱退火處理都通入了相同的保護氣體，升溫速率和保溫時間根據(jù)離子注入的離子種類進行設定。該方法有利于最大程度的激活注入離子活性，消除GaN基稀磁半導體材料中的離子注入損傷，增加自旋電子與載流子之間的交互作用，從而提高了GaN基稀磁半導體材料的室溫鐵磁性。

技術領域

本發(fā)明涉及一種利用兩步熱退火工藝恢復GaN基稀磁半導體離子注入損傷及提高稀磁半導體室溫鐵磁性的方法。

背景技術

當代和未來都是信息主宰的社會，而支持信息技術存在和發(fā)展的兩大決定性因素分別是信息的存儲和信息的處理。信息的存儲是利用了磁性材料中電子的自旋屬性，而信息的存儲則依靠半導體芯片中電子的電荷屬性得以實現(xiàn)。稀磁半導體是將磁性過渡族金屬離子或稀土離子部分代替半導體中的非磁性陽離子之后而形成的半導體材料，其具有電子和電荷的雙重屬性，是制備高效、低功耗的自旋電子器件的重要材料之一。

要制備具有實用化的電子自旋器件，稀磁材料的居里溫度高于室溫是一個必要條件，最近的理論和實驗研究表面過渡族金屬和稀土元素摻雜的GaN基材料最有希望獲得室溫以上的鐵磁性。另外，低摻雜濃度高鐵磁性是稀磁半導體材料應用的另一必要條件。離子注入過程是一個將不同磁性離子引入GaN基材料中的簡便方法，不受生長條件的限制，且離子注入可以有效的引入雜質(zhì)和缺陷，已有研究表明雜質(zhì)和缺陷的存在可以有效的提高GaN基稀磁半導體的鐵磁性。但是直接將磁性離子注入到GaN基材料中，并不能夠獲得較高的室溫鐵磁性，離子注入引入的大量的注入損傷，降低了自旋電子與載流子之間的相互作用。目前，離子注入后的GaN基稀磁半導體材料都要經(jīng)過熱退火處理，一般采用的退火方法是一步快速熱退火，即直接將溫度升高到設定溫度，保溫一段時間，然后進行降溫處理。目前的研究表明采用磁性金屬和非磁性離子共同注入可以有效提高GaN基稀磁半導體材料的室溫鐵磁性，但是磁性金屬和非磁性離子在GaN晶格中的擴散溫度不同，因此一步熱退火處理技術并不能夠完全激活注入離子，直接限制了GaN基稀磁半導體材料室溫鐵磁性的進一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為針對如何進一步提高離子注入GaN基稀磁半導體材料的室溫鐵磁性的問題，提供一種用于磁性金屬和非磁性離子共同注入GaN基稀磁半導體材料的熱退火處理方法。該方法為磁性金屬和非磁性離子共同注入的GaN基稀磁半導體材料的制備采用兩次離子注入的方法，根據(jù)磁性金屬和非磁性原子的注入能量和劑量均不同，首先將非磁性離子注入到GaN基底中，對該樣品進行快速熱退火處理，然后將磁性金屬注入到經(jīng)過退火處理的離子注入GaN基底中，對雙離子注入的GaN樣品進行第二次快速熱退火處理，兩次熱退火處理都通入了相同的保護氣體，升溫速率和保溫時間根據(jù)離子注入的離子種類進行設定。該方法有利于最大程度的激活注入離子活性，消除GaN基稀磁半導體材料中的離子注入損傷，增加自旋電子與載流子之間的交互作用，從而提高了GaN基稀磁半導體材料的室溫鐵磁性。

本發(fā)明的技術方案為：

一種提高離子注入GaN基稀磁半導體材料室溫鐵磁性的熱退火方法，包括如下步驟：

第一步，采用金屬有機物氣相外延方法(MOCVD)在藍寶石襯底上生長GaN薄膜材料；GaN薄膜材料的厚度為2-4μm；

第二步，對生長的GaN薄膜進行第一次離子注入：

對GaN基底進行非磁性離子注入，非注入能量在50KeV-100KeV,注入劑量為1x10¹⁴/cm^-2～1x10¹⁵/cm^-2；然后進行第一次退火，退火溫度設為500℃～700℃，退火保溫時間設為30分鐘～60分鐘，得到非磁性離子摻雜的GaN薄膜材料；