稀磁性半導體

稀磁性半導體是指非磁性半導體中的部分原子被過渡金屬元素取代後形成的磁性半導體，因兼具有半導體和磁性的性質，即在一種材料中同時套用電子電荷和自旋兩種自由度，因而引起廣泛關注，目前尚處於研究階段。

存在的問題集中於稀磁性半導體的磁性來源，倘若研究結果與人構想的相同，則必將給計算機領域帶來一場新的革命。

基本介紹

• 中文名：稀磁性半導體
• 外文名：Diluted magnetic semiconductors
• 簡稱：DMS
• 別名：半磁性半導體

術語簡介

稀磁半導體是指過渡金屬元素取代非磁性半導體中的部分原子後所形成的磁性半導體，因此它既有半導體性質又有磁性的性質，所以在同種材料中可以套用電子電荷和自旋兩種自由度，因而引起科研工作者的廣泛關注，目前尚處於研究階段。

分子式以 A1-xMxB表示，由普通化合物半導體 AB和磁性半導體MB組成，其中磁 性離子M無規則地占據A的子格 點。x≤0.36為閃鋅礦型，0.30<x≤ 0.55為纖鋅礦型結構。

磁學性質取決於磁性離子在晶格場中的磁性及磁性離子間的反鐵磁作用的強度，可有順磁、自旋玻璃和反鐵磁等狀態。

由於順磁離子的局域自旋磁矩和與之相聯繫的能帶電子自旋磁矩產生一種新的交換作用 (sp-d交換作用)，使其具有 與普通半導體截然不同的性質，如反常的大磁光效應及巨負阻效應。

稀磁性半導體

半磁半導體是研究順磁—自旋玻璃—反鐵磁態及固體中的無序體系、團簇玻璃 態和混磁態的優良材料，主要套用於各類光電器件。

磁性離子摻入到半導體中替代部分陽離子的位置形成稀磁性半導體，通過局域自旋磁矩和載流子之間存在強烈的自旋-自旋交換作用，在外加電場或者磁場的影響下，會使載流子的行為發生改變，從而產生異於半導體基質的特性。自旋-自旋交換相互作用是DMS材料區別於非磁半導體材料的關鍵，也是形成各種磁極化子的主要原因。

製備方法

分子束外延法

分子束外延（MBE）技術由於其在原子尺度上精 確控制外延膜厚、摻雜和界面平整度的特點，明顯優 於液相外延法和氣相外延生長法，更有利於生長高質 量DMS薄膜。

採用低溫分子束外延（LT-MBE）技術， 能夠有效的抑制新相的析出，同時輔助以高能電子衍 射儀（RHEED），監控生長過程中的表面再構過程， 從而對於樣品的組分及其性能進行控制。

但是，LT-MBE方法的生長溫度過低，從而使 GaAs半導體的一些性質依賴於LT-MBE的某些工藝 條件(例如襯底溫度，As過壓等)。

金屬有機化學氣相沉積

MOCVD法利用有機金屬熱分解進行氣相外延生 長，可以合成組分按任意比例組成的人工合成材料， 形成厚度精確控制到原子級的薄膜，從而又可以製成 各種薄膜結構型材料。目前，MOCVD法主要用於制 備Ⅱ-Ⅵ及Ⅲ-Ⅴ族的稀磁半導體。

離子注入法

在對於DMS 材料的研究中，各國科研人員採用 離子注入方法來引入磁性離子。通常加速電壓在數百 keV，且退火溫度往往高於600℃。

稀磁性半導體

對於常規離子注入，由於注入的離子經過電場的 加速作用而具有一定的能量，襯底溫度較高和退火過 程中熱動力學因素的影響，使得樣品中不可避免地 形成諸如MnGa及MnAs等雜相。因此，採用低能離子 注入及低襯底溫度下注入以抑制新相的生成，是一個 具有研究價值的新方法。

雷射脈衝沉積

PLD方法較為普遍的套用在氧化物DMS製備中， 如Mn摻雜 ZnO、Co摻雜 等材料。靶材由相關 金屬離子的氧化物在高溫下燒結而成，如ZnO與按一定比例混合後在900℃煅燒12h，製成陶瓷 靶。生長溫度隨材料的不同在350～750℃之間變 化。

一般沒有退火過程，較為常見的基片包括藍寶石、 、、及普通玻璃。 利用PLD製備的DMS材料，較易形成磁性離子的 團簇，從而降低材料的實用價值。

其它方法

對於大多數稀磁半導體的體材料來說，較為流行 的方法是布里奇曼（Bridgeman）法。其主要的生長 過程是首先將要生長的材料升溫至熔點以上，然後通 過控制熔體降溫方式來獲得高質量的體單晶。

溶膠-凝膠法也被用來製備某些氧化物DMS的微 粉和薄膜。如韓國科研人員將Zn、Co的醋酸鹽溶於 2-甲氧乙醇，做為前驅體，後在700℃空氣氣氛下快 速退火1min，獲得厚度約200nm的Co摻雜 ZnO薄膜。 樣品在350K時仍有觀察到較為明顯的磁滯回線。

磁控濺射法由於工藝簡便，性能穩定等特點，可用來製備ZnO:(Co, Fe)，ZnO:(Co, Al)，:Co等DMS 材料。實驗表明，該法製備的樣品也在室溫下發現具有鐵磁性。

研究進展

從根本上說主要是由於自旋電子之間的交換作用使得磁性半導體具有磁性。經常用於解釋磁性半導體的磁性起源的交換作用模型有描述絕緣體中磁性的直接交換作用和超交換作用、載流子媒介交換作用和描述部分氧化物中摻雜磁性的束縛磁極化子模型。

傳統鐵磁金屬之間的鐵磁耦合用直接交換作用機制來描述，而金屬氧化物、硫化物、氟族化合物以及鐵氧體中的反鐵磁性或亞鐵磁性則用超交換作用機制來描述。

超交換作用又可以稱作間接交換作用，其特點就是磁性原子間的相互作用是通過中間的陰離子間接完成的。超交換作用的哈密頓量可以通過海森堡模型來描述，此時的交換積分符號取決於金屬氧化物的鍵角和過渡金屬的d 電子組態。

稀磁半導體

通常來說，如果磁性金屬離子3d 軌道態的電子數達到或超過半滿，那么由它構成的離子性化合物呈反鐵磁性；如果磁性金屬離子3d 軌道態的電子數不到半滿，那么由它構成的離子性化合物呈鐵磁性；但是否具有鐵磁性還需考慮金屬氧化物的鍵角和過渡金屬的d 電子的組態。

研究磁性半導體類材料的常用方法是第一性原理計算。常用的有密度泛函理論贗勢平面波方法、基於格林函式方法和基於原子軌道線性組合方法等。鐵磁性半導體的居里溫度也有很多種理論計算方法。

如統計力學貝斯－皮埃爾斯方法和蒙特卡羅方法；外斯分子場近似方法；貝特派厄耳外斯近似方法；高溫展開法；格林函式方法等。這些方法適用的範圍不同，比如高溫展開的方法適用於居里溫度附近；而外斯分子場近似和格林函式的方法適用於較寬溫度範圍；統計力學方法是從動力學著眼研究居里溫度。其中外斯分子場近似方法簡單易行，常常用來估計居里溫度的大致範圍。不足之處是這種方法得到的居里溫度常常高於實際溫度。

發展前景

稀磁半導體兼具半導體和磁性材料的性質，使同時利用半導體中的電子電荷與電子自旋成為可能，為開闢半導體技術新領域以及製備新型電子器件提供了條件。

儘管目前對於DMS材料套用的研究尚處於實驗探索階段，但已展示出其廣闊的套用前景。如將 DMS材料用作磁性金屬與半導體的界面層，實現自旋極化的載流子向非磁性半導體中的注入，可用於自旋 極化發光二極體的製造。

而對於某些鐵磁層/無磁 層的多層異質結構，如GaMnAs/AlGaAs/GaMnAs 等，通過調節外部參數如溫度、電場等，可控制半導體層中的載流子濃度以及磁性層間的磁耦合，這種特性能夠套用於製造磁控、光控的新型超晶格器件。