稀磁半导体的研究

稀磁半导体的研究

摘要：稀磁半导体因兼具有磁性材料的信息存储功能和半导体材料的信息处理

功能，使其成为微电子学研究的热点。本文将就稀磁半导体的性质和应用，以及研究现状和发展趋势等做一简单介绍。

关键词：稀磁半导体自旋电子学半导体物理学

1.引言

信息的海量存储和高速互联，把人们带入了信息时代。目前支撑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，而信息的处理则依靠半导体芯片中电子的电荷属性得以实现。而随着近年来制作工艺水平的迅速提高，这种电荷和自旋彼此孤立的微电子学器件也即将达到物理极限[1]。因此一直以来，研究人员有个自然的想法：能否构造将磁、电集于一体的半导体器件。同时利用自旋和电荷自由度最为成功的的电子器件是由多层铁磁金属膜制备的磁盘读写头,而几乎所有的半导体器件都是利用载流子的电荷来完成其功能的[2]。这是因为通常半导体材料如硅、砷化镓等都是非磁性材料。长期以来，人们试图将少量的磁性原子掺入非磁性半导体材料中,期待得到磁性半导体材料,制备出集磁、光、电于一体的,低功耗的新型半导体电子器件。

2.稀磁半导体简介

稀磁半导体（DMS）又称半磁半导体，是指在非磁性半导体材料基体中通过掺入少量磁性过渡族金属元素或稀土金属元素使其获得铁磁性能的一类新型功能材料[3]。因稀磁半导体既利用了电子的自旋属性和电荷属性，所以稀磁半导体制作的器件既具有磁性材料器件的信息存储功能，又具有半导体器件的信息处理功能。常用的制备方法有离子注入法（Ion implantation）、分子束外延法（MBE）、金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）等多种工艺[4]。

3.稀磁半导体的性质

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．这些效应为人们研究制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础[5]。

3.1.巨塞曼效应和巨法拉第旋转

巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp-d交换相互作用引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应[6]。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。

3.2.自旋共振隧穿和自旋霍尔效应

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。室温下半导体材料中的自旋注入，目前实验上有两种实现途径：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．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[7]。反常霍尔效应给我们提供了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。

4.稀磁半导体的研究进展

关于磁性半导体的研究可以追溯到上个世纪60年代，即关于浓缩磁性半导体的研究。所谓浓缩磁性半导体即在每个晶胞相应的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半导体。例如Eu 或Cr 的硫族化合物:岩盐结构(NaCl—type) 的EuS 和EuO 以及尖晶石结构( Spinel s) 的CdCr2 S4 和CdCr2 Se4等 ,这些浓缩磁性半导体也被称为第一代磁性半导体[8]。但由于这类浓缩磁性半导体的居里温度太低，且高质量的浓缩磁性半导体薄膜及其异质结构的生长制备和加工方面存在着难以克服的困难，因此,迄今为止这些岩盐结构和尖晶石结构的磁性半导体主要用于基础研究和概念型器件的研究。

进入上个世纪80 年代,人们开始关注稀磁半导体，即少量磁性元素与II—VI 族非磁性半导体形成的合金，如(Cd ,Mn) Te 和(Zn ,Mn) Se 等[9]。这些II—VI 族稀磁半导体被称为第二代磁性半导体。这类稀磁半导体虽然相对容易制备，但替代二价阳离子的二价Mn 离子是稳定的,产生的载流子不仅很少,而且也很难控制,所以这种稀磁半导体经常是绝缘体。这严重地限制了其实际应用。尽管如此,人们对II—VI族稀磁半导体的研究和探索一直没有放弃,近年来,又不断地取得了一些新的进展。

上世纪80年代末和90年代中期,利用低温分子束外延技术(L T—MBE) 生长的Mn 掺杂III—V 族稀磁半导体( In ,Mn) As 和( Ga ,Mn) As 等引起了人们的高度关注,并称以( Ga ,Mn) As 为代表的III—V 族稀磁半导体为第三代磁性半导体。这些III—V 族稀磁半导体很容易与III—V 族非磁性半导体GaAs、AlAs、( Ga ,Al) As 和( In , Ga) As 等结合形成异质结构,并且与呈现巨磁阻( GMR) 效应的金属多层膜类似,其异质结构中也存在着自旋相关的散射、层间相互作用耦合、隧穿磁阻等现象。目前这类稀磁半导体的居里温度还不能满足实际工作要求。因此,提高稀磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为目前半导体自旋电子学研究的一个热点[10]。

5.稀磁半导体的应用

稀磁半导体因具有一系列良好的属性，因此近年来得到了较大的关注。随着研究的一步步深入，稀磁半导体也逐渐能够应用到光电子学或微电子学的器件制备中：（1）利用稀磁半导体的巨法拉第旋转效应可制备非倒易光学器件,也可用于制备光调谐器、光开关和传感器件；（2）利用磁性和半导体性实现自旋的注入与输运,可造出新型的自旋电子器件,如自旋过滤器和自旋电子基发光二极管等;（3）通过改变磁性离子的浓度可得到所需要的带隙,从而获得相应的光谱效应。由于其响应波长可覆盖从紫外线到远红外线的宽范围波段,这种DMS 是制备光电