稀釋磁性半導體(DMS)材料又叫做半導體自旋電子材料。在過去的十幾年裡，自旋電子學大大地提高了硬碟的容量，迅速進入計算機套用領域。在下一個十年，半導體自旋電子學有潛力在微電子和光電子技術中獲得重要的套用。從長遠來看，更具有革命性的套用是在量子計算中，這涉及限域體系中自旋相干耦合的量子力學規律的套用。
金屬自旋電子器件提供了存儲和閱讀硬碟、磁帶或者MRAM上信息的新方法，而半導體自旋電子學則提供更加豐富的套用方式。套用半導體自旋電子學能夠發展一種集成存儲、探測、邏輯和通信功能於一體的單個晶片，來代替多個部件。例如，它可以比現在的MRAM原型更好地集成MTJ和矽基電子學器件。半導體的光學性質也特別有利於轉換磁學信息成為光學信號。同時，自旋的操控比傳統電子學中電荷的操控在速度和需要的能量方面更具有優勢，開發這些優點的概念性器件已經被提出。
基本介紹
- 中文名：稀釋磁性半導體
- 外文名：Dilute magnetic semiconductor
- 別稱：半導體自旋電子材料
- 簡稱：DMS
- 製備：分子束外延
- 套用：自旋功能器件
簡介,稀釋磁性半導體材料的製備,分子束外延,離子注入,基於稀磁半導體材料的自旋功能器件,
簡介
合金的過程中，通過克服低溶解度的困難，大約5%的Mn被引入InAs中。關鍵是採用低溫分子束外延(LT-MBE)，在真空中，原子層按照高度可控的方式被排列而不會發生不想要的反應：。當製備溫度大約為250'12時，突破發生了。InAs和Mn實際上形成了一個真正的合金，而不是分離的結晶。令人振奮的是，不僅僅磁性雜質被引入半導體中，而且新材料是鐵磁性的。這種在非磁性半導體(此處如InAs)中一定比例的原子被磁性離子所代替形成的合金材料稱為稀釋磁性半導體(DMS)。
進一步的研究在CaAs中獲得了同樣的效應。當最佳化製備技術時，重點跟蹤研究轉變溫度隨眷Mn濃度的變化如何增長。最終的目標是在室溫下實現磁學性質如鐵磁性。迄今為止，居里溫度最高為170 K。鐵磁性平均場模型的理論計算表明，通過增加更高的Mn和空穴濃度提高居里溫度是可能的，至少需要15%~20%的Mn。迄今為止，使用LT-MBE將Mn濃度提高到8%~10%的時候，就不能得到均一的材料。
稀釋磁性半導體材料的製備
寬頻隙半導體材料可能具有室溫或者更高溫度的鐵磁性依賴，大量不同的材料製備方法被成功地用於研究寬頻隙DMS的合成。常見的半導體材料製備手段，如分子束外延(MBE)，金屬有機化學氣相澱積(MOCVD)，離子注入，氨熱法，脈衝雷射濺射(PLD)，磁控濺射，溶膠-凝膠法，氫化物氣相外延(HVPE)等被分別用來合成各種寬頻隙DMS材料。各種方法製備的寬頻隙DMS材料在室溫都顯示出了清晰的鐵磁信號。
目前已經得到研究的寬頻隙DMS材料主要包括摻雜磁性離子的GaP、GaN或者ZnO等。
分子束外延
分子束外延是一種多用途和可控制的薄膜生長技術。磁性元素在Ⅲ．V族半導體中的溶解度是非常低的，但是為了在DMS中獲得鐵磁性，一定數量的磁性離子是必需的。而這只能通過非平衡晶體生長技術才能實現，比如低溫分子束外延(LT-MBE)。在最初的工作中，採用MBE方法生長了Mn含量在6%~9%(摩爾分數)的(Ga，Mn)N薄膜，顯示了很清晰的磁滯回線，在300 K時的矯頑力大約為4 138.22~6 764 A/m。MBE生長的n型(Ga，Mn)N薄膜也被報導具有室溫鐵磁性。在MBE GaN中，磁性離子的最高濃度限制大概在10%左右。居里溫度一般在220～370K範圍內，依賴於製備的條件。
利用等離子增強分子束外延(PEMBE)技術，製備了Mn和Mg共摻雜CaN薄膜，並且觀察到室溫下的鐵磁性。在薄膜中，Mg的結合和鐵磁性之間並不是直接相關，因為隨著Mg源溫度的改變，並沒有觀察到飽和磁化強度的變化。Mg的共摻雜減少了Mn的摻入，但是提高了GaMnN薄膜的導電率。同時，飽和磁化強度和矯頑力增加了。當Mn的濃度持續減少到約為0.3%時，觀察到載流在DMS中引起鐵磁性發揮的關鍵作用。
分子束外延離子注入
離子注入法是將需要注入的離子以一定的能量轟擊受注材料，離子以很高的速度進入受注材料內部的一種技術。
離子注入通常被廣泛套用於矽技術工業中的積體電路工藝，因為它具有可靠性，離子劑量的精確性和可重複性等。在半導體自旋電子材料開始被研究後，離子注入被給予了更多的關注，因為它是結合特殊磁性摻雜和受注半導體用於高溫鐵磁性質的非常有用的技術。過渡金屬離子如Mn，Fe，Co和Ni等，被注入主半導體材料，包括GaN，AIN，GaP，SiC，ZnO∶Sn，ZnCeSiN2和AlGaP等。
離子注入具有和分子束外延類似的優點，可以超越溶解度限制將雜質注入寬禁帶半導體材料以獲得高瓦鐵磁性，這有助於提高DMS的居里溫度。在張榮等的研究中，重摻雜Mn的注入濃度可以達到1.54×10/22，並且顯示了室溫鐵磁性，如下圖所示。
離子注入基於稀磁半導體材料的自旋功能器件
由於稀磁半導體很大程度上考慮了靜電勢壘(界面電子結構的匹配問題)對自旋極化注入的不利影響，尤其是近期研究的透明半導體系列具有很多獨特的磁光、磁電等性質，因此稀磁半導體在磁感應器、高密度非易失性存儲器、光隔離器、半導體積體電路、半導體雷射器和自旋量子計算機等領域有廣闊的套用前景。近期廣泛開展的稀磁半導體基的自旋功能器件研究表明，與傳統的半導體器件相比，自旋電子功能器件具有以下優點：
(1)體積小，現今半導體積體電路的特徵尺寸是幾十納米，但隨著晶片集成度的提高，電晶體尺寸的縮小會引發漏電和器件發熱等很多問題。而自旋功能器件的特徵尺寸為幾納米左右，特別是改變電子的自旋狀態所耗能量甚低，這就為開發微型自旋功能器件創造了條件。
(2)運行速度快，自旋功能器件的操控是基於磁性載流子自旋方向的改變以及自旋之間的耦合，每秒的邏輯操作可達上億次。
(3)自旋功能器件操作具有非易失性，即當電源關閉後，自旋狀態仍然保留不變直至下次開啟，這種特性可以套用在高密度非易失性存儲器件領域。
基於稀磁半導體材料的自旋功能器件可大致分成兩類，一類是與自旋極化率密切相關的自旋功能器件；另一類是與自旋相位干涉有關的量子信息器件。
