[发明专利]一种高饱和磁化强度的Si基稀磁半导体的制备方法

说明书

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1×10¹⁶～1×10¹⁷/cm²；

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℃，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1×10¹⁵～1×10¹⁶/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。

附图说明

图1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10K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1×10¹⁵～1×10¹⁶/cm²。