稀磁半导体概述

简述稀磁半导体

摘要：本文中主要介绍的稀磁半导体的情况。稀磁半导体（Diluted magnetic semiconductors, DMS）是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。文中分为三个方面介绍，首先简述了稀磁半导体的研究现状，有稀磁半导体的制备情况及其分类状况；再者分析了稀磁半导体的主要性质然后根据它的性质和特点介绍稀磁半导体的应用方面；最后对稀磁半导体进行了总结，稀磁半导体的应用情况。

关键词：稀磁半导体应用制备方法

一稀磁半导体的制备方法及进展

稀磁半导体是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。

稀磁半导体的制备方法有凝胶溶胶法[1]、气相淀积法、溅射沉积法[2]、分子束外延成长、水热法和其他制备方法[3]。制备稀磁半导体的主要困难是磁性离子在Ⅲ-Ⅴ族半导体中的固溶度太低。而在半导体中磁性离子的浓度<10cm 时，即起不了什么作用；但若采用MBE的低温非平衡生长工艺可克服此困难，从而相继制备出了（In，Mn）As和（Ga，Mn）As等Ⅲ-Ⅴ族磁性半导体。研究者还利用其他方法成功制备出稀磁半导体，如电子束蒸发法，高温固相反应法[4]。

尽管已经研究了几十年,稀磁半导体还是没有能够得到广泛的应用,其中一个原因是其居里温度低于室温,另一个原因是饱和磁化强度较低[5]。随着稀磁半导体制备技术的不断发展，以及研究人员更深入的研究，稀磁半导体的应用和研究领域也在不断的拓宽，其在光、电、磁功能集成等新型器件方面具有重要前景。并将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用。

二稀磁半导体的性质及应用

稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质,如巨塞曼效应、

巨法拉第旋转、自旋共振隧穿和自旋霍尔效应等. 这些效应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础[6] 。巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp2d 交换相互作用引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应. 采用圆偏振抽运

光照射半导体材料,当一束线偏振的探测光透过材料后其偏振面会发生偏转,透射光偏振面的偏转角称为法拉第角(反射光称为克尔角) . 当材料是稀磁半导体时,

偏转角要比非磁性半导体材料大1～2 数量级. 该现象被称为巨法拉第旋转. 可

以从法拉第角随时间变化的规律来研究载流子和磁离子自旋的弛豫和输运,以及

如何用外电场、外磁场和光场来操纵自旋.近年来稀磁半导体材料在磁场下的输运性质有大量的研究,主要研究的是稀磁半导体结的隧穿和霍尔效应. 隧穿输运方面主要是研究通过磁性半导体结的自旋注入. 自旋注入是实现半导体材料自

旋电子器件的首要问题,尤其是如何实现室温下半导体材料中的自旋注入是目前大家十分关注的问题. 实验上人们采用不同的方法,目前大致有2 类途径:一类

是通过铁磁金属和半导体界面注入;另一类是通过稀磁半导体结隧穿注入.目前

前者实验上注入所产生的自旋极化率大约在2 %左右. 较低的极化率来自铁磁金属与半导体材料的电导率的失配. 但近来人们利用在铁磁金属和半导体之间的

肖特基势垒的隧穿实现了室温自旋注入,注入电子的极化度为30 %.在输运性质

方面,人们还在铁磁半导体中发现了反常霍尔效应(或自旋霍尔效应) 和各向异

性磁电阻. 反常霍尔效应引起人们理论研究的兴趣,反常霍尔效应给我们提供关于磁性半导体薄膜载流子自旋极化和散射机制的信息. 通常稀磁半导体材料的

磁化强度相当小,由于反常霍尔效应灵敏度较高,因此可间接反映磁化强度的大小,甚至确定居里温度. 由反常霍尔效应确定的居里温度与直接测量磁矩的实验结果很好地吻合.目前,DMS 的研究在理论、实验及应用上发展相当令人喜悦[7] . 近来,有人成功掺入5 % Mn到GaN 中,获得高于室温的居里温度,与理论计算相当一致. 还有人成功掺入9 %Mn 到GaN中,实验表明其居里温度达945 K. 另外,近来一系列的报道也提及了在其它半导体中发现了高于室温的铁磁性转变: 320 K

II2IV2VI 黄铜矿（ Gd1 - xMnx ) GeP2 ,290～380 K 在( Zn ,Co) O ,室温铁磁性在TiO2 C ,以及高于400 K 的闪锌矿结构CrAs 和CrSd. 可以预见,不久的将来,室温DMS 将引起的冲击毫不亚于普通半导体器件对人类生活的影响.

稀磁半导体一个重要的应用方向是自旋电子器件[8] . 人们已提出了几种

自旋电子器件结构,备受世界各著名实验室关注. 例如自旋偏振场效应管是利用自旋电子注入制备的自旋极化场效应管. 沟道电流是InAlAs/ InGaAs 形成的高迁移率的二维电子气,自旋电子的注入和收集是通过磁场控制的铁磁性金属电极,栅电极的作用是使载流子的自旋和外磁场一致. 此外,高密度非易失性存储器、磁感应器和半导体电路的集成、光隔离器件和半导体激光器的集成以及量子计算机等是稀磁半导体的重大的潜在应用. 但上述以稀磁半导体为基础的自旋电子器

件的研制尚处于起步阶段,距实用化还有很长的路程. 此外,亚微米的磁微机械也有了初步探索.。

由于DMS 材料的特殊性,它可应用在磁学、光学、电学等领域. 主要有: 由于磁性粒子的掺杂,其带隙可随磁性粒子的浓度而变化,因此可以制成各种光电子和磁光器件;由于其能带结构明显受外磁场的影响,可以应用到磁控量子阱和超晶格器件中;用作磁性金属与半导体的界面层,实现自旋极化载流子向非磁性半导体中的注入,用于自旋极化发光二极管的制造。

三关于稀磁半导体的总结

随着稀磁半导体制备技术的不断发展，以及研究人员更深入的研究，稀磁半导体的应用和研究领域也在不断的拓宽，其在光、电、磁功能集成等新型器件方面[9]具有重要前景并将对信息和自动化工业的发展产生重要的推动作用。最近,大量研究工作投入到过渡元素掺杂的氧化物稀磁半导体中, 如ZnO , TiO2 ,

SnO2 ,Ba TiO3 ,Cu2O ,Sr TiO3 和KTaO3 . 这些材料大都具有接近或高于室温的居里温度,这对于自旋电子器件的实用化进程是非常有用的. 研究表明,在优化的合成条件下,原子比在几个百分点的过渡元素可以不产生新的相,而导致室温铁磁性.脉冲激光沉积、反应溅射方法、分子束外延和离子注入方法[10]等都可用来制备稀磁半导体。

参考文献：

[1]胡秀坤,崔旭高,张世远. Ti1 - x Co x O2 薄膜与块材的溶胶2凝胶法制[A ] . 第四届全国磁性薄膜与纳米磁学会议论文集[C] . 天津:2004. 83～85.

[2]黄良安,周正国. 射频溅射法制备Pb1 - x Co x Se 薄膜及物性研究[J ] . 武汉大学学报(自然科学版) ,1999 ,45 (3) :331～334.

[3] 侯登录．稀磁半导体的制备与性质[J]．物理实验，2005.25(8)：3-7.