[发明专利]一种提高离子注入GaN基稀磁半导体材料室温铁磁性的热退火方法

说明书

本发明为一种提高离子注入GaN基稀磁半导体材料室温铁磁性的热退火方法。该方法首先将非磁性离子注入到GaN基底中，对该样品进行快速热退火处理，然后将磁性金属注入到经过退火处理的离子注入GaN基底中，对双离子注入的GaN样品进行第二次快速热退火处理，两次热退火处理都通入了相同的保护气体，升温速率和保温时间根据离子注入的离子种类进行设定。该方法有利于最大程度的激活注入离子活性，消除GaN基稀磁半导体材料中的离子注入损伤，增加自旋电子与载流子之间的交互作用，从而提高了GaN基稀磁半导体材料的室温铁磁性。

技术领域

本发明涉及一种利用两步热退火工艺恢复GaN基稀磁半导体离子注入损伤及提高稀磁半导体室温铁磁性的方法。

背景技术

当代和未来都是信息主宰的社会，而支持信息技术存在和发展的两大决定性因素分别是信息的存储和信息的处理。信息的存储是利用了磁性材料中电子的自旋属性，而信息的存储则依靠半导体芯片中电子的电荷属性得以实现。稀磁半导体是将磁性过渡族金属离子或稀土离子部分代替半导体中的非磁性阳离子之后而形成的半导体材料，其具有电子和电荷的双重属性，是制备高效、低功耗的自旋电子器件的重要材料之一。

要制备具有实用化的电子自旋器件，稀磁材料的居里温度高于室温是一个必要条件，最近的理论和实验研究表面过渡族金属和稀土元素掺杂的GaN基材料最有希望获得室温以上的铁磁性。另外，低掺杂浓度高铁磁性是稀磁半导体材料应用的另一必要条件。离子注入过程是一个将不同磁性离子引入GaN基材料中的简便方法，不受生长条件的限制，且离子注入可以有效的引入杂质和缺陷，已有研究表明杂质和缺陷的存在可以有效的提高GaN基稀磁半导体的铁磁性。但是直接将磁性离子注入到GaN基材料中，并不能够获得较高的室温铁磁性，离子注入引入的大量的注入损伤，降低了自旋电子与载流子之间的相互作用。目前，离子注入后的GaN基稀磁半导体材料都要经过热退火处理，一般采用的退火方法是一步快速热退火，即直接将温度升高到设定温度，保温一段时间，然后进行降温处理。目前的研究表明采用磁性金属和非磁性离子共同注入可以有效提高GaN基稀磁半导体材料的室温铁磁性，但是磁性金属和非磁性离子在GaN晶格中的扩散温度不同，因此一步热退火处理技术并不能够完全激活注入离子，直接限制了GaN基稀磁半导体材料室温铁磁性的进一步提高。

发明内容

本发明的目的为针对如何进一步提高离子注入GaN基稀磁半导体材料的室温铁磁性的问题，提供一种用于磁性金属和非磁性离子共同注入GaN基稀磁半导体材料的热退火处理方法。该方法为磁性金属和非磁性离子共同注入的GaN基稀磁半导体材料的制备采用两次离子注入的方法，根据磁性金属和非磁性原子的注入能量和剂量均不同，首先将非磁性离子注入到GaN基底中，对该样品进行快速热退火处理，然后将磁性金属注入到经过退火处理的离子注入GaN基底中，对双离子注入的GaN样品进行第二次快速热退火处理，两次热退火处理都通入了相同的保护气体，升温速率和保温时间根据离子注入的离子种类进行设定。该方法有利于最大程度的激活注入离子活性，消除GaN基稀磁半导体材料中的离子注入损伤，增加自旋电子与载流子之间的交互作用，从而提高了GaN基稀磁半导体材料的室温铁磁性。

本发明的技术方案为：

一种提高离子注入GaN基稀磁半导体材料室温铁磁性的热退火方法，包括如下步骤：

第一步，采用金属有机物气相外延方法(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜材料；GaN薄膜材料的厚度为2-4μm；

第二步，对生长的GaN薄膜进行第一次离子注入：

对GaN基底进行非磁性离子注入，非注入能量在50KeV-100KeV,注入剂量为1x10¹⁴/cm^-2～1x10¹⁵/cm^-2；然后进行第一次退火，退火温度设为500℃～700℃，退火保温时间设为30分钟～60分钟，得到非磁性离子掺杂的GaN薄膜材料；