远离平衡态退火对Mn注入硅结构和性能的影响

在半导体中引入磁性是发展半导体自旋电子学的必要条件，GaAs:Mn体系是研究最充分、最透彻的磁性半导体材料。GaMnAs稀磁半导体和GaAs:MnAs纳米混合体都呈现很强的磁输运性质：巨磁阻和反常霍尔效应。硅是半导体工业的基石，在硅材料中引入和GaAs:Mn体系类似的磁现象将有望实现自旋电子学和传统微电子生产线的集成。在我们前期研究中，利用硅材料的传统掺杂手段：离子注入，在硅衬底中合成纳米磁性Mn硅化物，和相应的块材硅化物相比这些纳米晶具有更大的磁化强度和温度相关的记忆效应。在该项目中，我们将采用不同时间尺度（从秒到纳秒）的退火：（1）探索合成磁性最强Mn硅化物纳米晶的注入和退火条件，同时回答Mn硅化物磁性纳米晶能否对硅衬底载流子输运产生影响；（2）研究缩短退火时间能否实现Mn的替位，从而实现Mn在硅中p型能级的激活和载流子与Mn局域磁矩之间的耦合，总结出超短时间退火的最优参数。

在半导体中引入磁性是发展基于半导体的自旋电子学所必需的条件，GaAs:Mn体系是研究最充分、最透彻的磁性半导体材料。GaMnAs稀磁半导体和GaAs:MnAs纳米混合体都呈现很强的磁输运性质：巨磁阻和反常霍尔效应。硅是半导体工业的基石，在硅材料中引入和GaAs:Mn体系类似的磁现象将有望实现自旋电子学和传统微电子生产线的集成，并且相对于GaAs，硅的结构简单，有利于理论建模，有望加深对稀磁半导体这类材料的认识。实现Si基磁性半导体，在Si中实现过渡族元素的过饱和掺杂是需要解决的核心问题。离子注入是一个远离平衡态的物理过程，这个特点使往半导体中掺入高浓度的过渡族元素离子成为可能。当然，离子注入的最大的缺憾是对材料的晶格损伤，这就需要后退火来使材料重新结晶。在退火过程中，检查是否有磁性纳米晶形成，是否有Mn元素的替位效应，是我们在课题中将要研究的主要内容。.该项目的研究工作按计划进行，取得阶段性研究成果简介如下：.（1）比较不同注入条件（常温注入和液氮冷却注入）对材料的影响：液氮冷却注入可以有效抑制Mn硅化物的行程。.（2）比较快速退火和激光退火对Mn注入Si的影响：快速退火生成Mn硅化物磁性纳米晶，具有较大磁矩，激光退火实现了p型掺杂。.（3）检查能否实现Mn替位Si：我们发现两种退火模式都可以实现Si的再结晶，但是无论激光退火或快速退火，在我们尝试的条件内，在卢瑟福背散射沟道实验方法精度内，我们未观察到Mn实现Si替位的现象。.（4）利用X射线吸收技术，我们发现Mn在Si中和在其他半导体材料中（都是Mn注入但未退火条件下）有着本征的区别：在Si中,Mn更多表现为金属性，在Ge或GaAs中，Mn的3d电子表现更强的局域性。.（5）利用该项目支持，我们还进行了另外两项研究，离子辐照GaMnAs磁性半导体调制其磁学性质和在SiC中实现缺陷诱导的铁磁性。利用离子辐照，我们可以补偿GaMnAs中的空穴浓度，改变其居里温度。我们在未掺杂SiC中注入惰性气体离子Ne，在室温下观察到铁磁性，样品的磁性高度依赖与注入剂量：在一个非常窄的剂量窗口内，样品的磁性达到最强。