利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法及其制品技术

本发明专利技术公开了一种利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法及其制品，本发明专利技术提供的制备方法简单，易于实现，科学利用离子注入结合脉冲激光退火成功实现了Al对(In,Mn)As稀磁半导体的替位掺杂，且保证了掺杂薄膜的单晶外延结构，通过逐渐变化掺杂Al的浓度，实现了对(In,Mn)As稀磁半导体居里温度、磁性强度与矫顽场的精确调控。本方法所调节的(In,Mn)As稀磁半导体外延薄膜制品，可保持良好的单晶外延结构，并且其居里温度、磁性强弱与矫顽场可被连续精确控制。

Methods and products of adjusting magnetic properties of diluted magnetic semiconductor by Al doping

【技术实现步骤摘要】
利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法及其制品
本专利技术涉及属于材料学
，特别涉及一种利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法及其制品。
技术介绍
稀磁半导体是一种新型磁性功能材料，在其中具有空穴耦合局域化磁矩的物理特性，因此能够实现磁电性能耦合的一种半导体材料。当III-V组半导体中少量3d磁性元素替位掺杂晶格中的III族原子时，所掺杂的3d磁性原子与掺杂引入的空穴发生交换耦合作用，使得材料通过价带空穴的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)作用呈现铁磁性，并且可被空穴的载流子浓度所自由调控。而稀磁半导体的多种磁学特性，如居里温度、磁矩强度、磁各向异性、磁电阻等均可随载流子浓度变化发生改变。另一方面，如常规半导体中一样，稀磁半导体中的载流子浓度可被栅极电压、施/受主掺杂、引入缺陷补偿等方式精确调控。稀磁半导体同时表现磁性材料与半导体材料的双重特性，且电磁学两种特性产生相互耦合因此能够实现相互调控，因而稀磁半导体随即被选为自旋量子器件的热点材料之一，其具备的非挥发存储性，可控性与匹配现有半导体技术的优点使其广受关注。但是III-V族稀磁半导体也同时具备最显著的一个缺点，即其3d元素在III-V半导体中的溶解度(～0.01at％)远低于出现铁磁性的掺杂浓度(2～10at％)，因此该材料的制备远离平衡态结晶过程，导致无论是材料本身的制备还是掺杂都面临着巨大困难。虽然现有的低温分子束外延技术(LT-MBE)已经能够部分的解决(Ga,Mn)As材料的制备与掺杂，其余III-V族稀磁半导体的掺杂制备依然存在重大挑战。因此通过新方法实现稀磁半导体替位掺杂，进而调控稀磁半导体的磁性能，并且能够保持此稀磁半导体的单晶外延结构，始终是该领域的研究热点。元素的替位掺杂可以改变稀磁半导体中的载流子浓度、调节材料的内应力以及改变载流子的迁移率等，因此能够直接或间接的调控材料的磁学性能，并且掺杂后的样品需要始终保持半导体薄膜的单晶外延结构特性以满足后续的器件组装需求。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的在于，提供一种利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法及其制品。该方法利用离子注入结合脉冲激光退火成功实现了Al对(In,Mn)As稀磁半导体的替位掺杂，且保证了掺杂薄膜的单晶外延结构，通过逐渐变化掺杂Al的浓度，实现了对(In,Mn)As稀磁半导体居里温度、磁性强度与矫顽场的调控。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案是：一种利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法，其特征在于：其包括以下步骤：(1)对InAs半导体衬底进行清洁处理；(2)将完成步骤(1)的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，Mn元素注入InAs半导体衬底，得到Mn掺杂的InAs非晶薄膜；(3)将Al注入Mn掺杂的InAs非晶薄膜，得到Mn与Al共掺杂的InAs非晶薄膜；(4)将步骤(3)中的InAs非晶薄膜取出洗净；(5)将完成步骤(4)的InAs非晶薄膜置于冲激光退火设备靶室中进行脉冲激光退火，获得Al掺杂的(In,Mn)As稀磁半导体外延薄膜制品。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(1)包括以下步骤：(1.1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡5～20分钟后取出在氮气中风干；(1.2)将风干后的InAs半导体衬底置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢；(1.3)清洗后取出后置于氮气中风干。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(2)包括以下步骤：(2.1)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中；(2.2)将注入元素选定为Mn元素，并且将加速电压设定为10～300keV之间，将Mn注入通量设定介于1×1014/cm2～1×1017/cm2之间，注入完成后取出，得到Mn掺杂的InAs非晶薄膜。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(3)包括以下步骤：(3.1)将Mn掺杂的InAs非晶薄膜继续置于离子注入机靶室腔体中；(3.2)将注入元素选定为Al元素，并且将加速电压设定为10～300keV之间，将Al注入通量设定介于1×1014/cm2～1×1017/cm2之间，注入完成后取出，得到Mn与Al共掺杂的InAs非晶薄膜。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(4)中采用丙酮对Mn与Al共掺杂的InAs非晶薄膜进行清洗。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(5)包括以下步骤：将Mn与Al共掺杂的InAs非晶薄膜置于脉冲激光退火设备的靶室中，设置脉冲激光器能量密度介于0.1～0.5J/cm2区间，触发脉冲激光器并进行1个脉冲处理后自然冷却；待自然冷却取出，获得Al掺杂的(In,Mn)As稀磁半导体外延薄膜制品。作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤(5)中的脉冲激光器的波长为300～320nm，优选为308nm，脉冲激光器单脉冲持续时间为26～32ns，优选为28ns。一种采用上述的利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法获得的(In,Mn)As稀磁半导体外延薄膜制品，其的结构通式为In1-x-yAlyMnxAs，按原子比0.01<x<0.15，0.02<y<0.08，即Mn原子摩尔百分比范围为1～15％，Al原子摩尔百分比范围为2～8％。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的制备方法简单，易于实现，科学利用离子注入结合脉冲激光退火成功实现了Al对(In,Mn)As稀磁半导体的替位掺杂，且保证了掺杂薄膜的单晶外延结构，通过逐渐变化掺杂Al的浓度，实现了对(In,Mn)As稀磁半导体居里温度、磁性强度与矫顽场的调控，且调节(In,Mn)As效果显著，掺杂Al后材料依然能够保持铁磁性，调节的居里温度、磁矩强度、矫顽场等变化显著，所制备的Al替位掺杂(In,Mn)As稀磁半导体材料能够保证良好的单晶外延结构，有利于后续器件的组装。下面结合附图与实施例，对本专利技术进一步说明。附图说明图1为不同浓度的Al掺杂(In,Mn)As的磁滞回线测试结果。图2为(不同浓度的Al掺杂(In,Mn)As的变温剩余磁磁测试结果。具体实施方式实施例1：本实施例提供的一种掺杂调节(In,Mn)As稀磁半导体磁学性能的方法，Al掺杂(In,Mn)As稀磁半导体材料中Al的原子百分比为0％，Mn的原子百分比为12％，居里温度为80K，并且保持良好的单晶外延结构。具体的，其包括以下步骤：(1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡10分钟后取出，在氮气中风干并继续置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢，取出后置于氮气中风干；(2)将晾干的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，将注入元素选定为Mn元素，并且将加速电压设定为100keV，将Mn注入通量设定为2.4×1016/cm2之间，注入完成后取出，得到Mn掺杂的InAs非晶薄膜；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法，其特征在于：其包括以下步骤：/n(1)对InAs半导体衬底进行清洁处理；/n(2)将完成步骤(1)的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，Mn元素注入InAs半导体衬底，得到Mn掺杂的InAs非晶薄膜；/n(3)将Al注入Mn掺杂的InAs非晶薄膜，得到Mn与Al共掺杂的InAs非晶薄膜；/n(4)将步骤(3)中的InAs非晶薄膜取出洗净；/n(5)将完成步骤(4)的InAs非晶薄膜置于冲激光退火设备靶室中进行脉冲激光退火，获得Al掺杂的(In,Mn)As稀磁半导体外延薄膜制品。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)对InAs半导体衬底进行清洁处理；
(2)将完成步骤(1)的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中，Mn元素注入InAs半导体衬底，得到Mn掺杂的InAs非晶薄膜；
(3)将Al注入Mn掺杂的InAs非晶薄膜，得到Mn与Al共掺杂的InAs非晶薄膜；
(4)将步骤(3)中的InAs非晶薄膜取出洗净；
(5)将完成步骤(4)的InAs非晶薄膜置于冲激光退火设备靶室中进行脉冲激光退火，获得Al掺杂的(In,Mn)As稀磁半导体外延薄膜制品。


2.根据权利要求1所述利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括以下步骤：
(1.1)将InAs半导体衬底置于双氧水中浸泡5～20分钟后取出在氮气中风干；
(1.2)将风干后的InAs半导体衬底置于丙酮溶液中进行超声清洗去除表面有机污垢；
(1.3)清洗后取出后置于氮气中风干。


3.根据权利要求1所述的利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下步骤：
(2.1)将风干后的InAs半导体衬底用导电胶带固定在离子注入机靶室腔体中；
(2.2)将注入元素选定为Mn元素，并且将加速电压设定为10～300keV之间，将Mn注入通量设定介于1×1014/cm2～1×1017/cm2之间，注入完成后取出，得到Mn掺杂的InAs非晶薄膜。


4.根据权利要求1所述的利用Al掺杂调节稀磁半导体磁学性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括以下步骤：
(3.1)将Mn掺杂的InAs非晶薄膜继续置于离子注入机靶室腔体中；
(3.2)将注入元素选定为...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁冶，王新强，王琦，康俊杰，王维昀，李永德，王后锦，周生强，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：广东;44