稀磁半导体

稀磁半导体及其主要性质和应用 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（transition metals, TM）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。从实际应用中来看，以半导体材料为支撑的大规模集成电路空前的规模和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色，在这些技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性；而信息技术中另一个不可缺少的方面信息存储（如磁带、光盘、硬盘等）则是由磁性材料来完成的，它们极大地利用了电子的自旋属性。然而人们对于电子电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的，彼此之间相互独立。如果能同时利用电子的电荷和自旋属性，无疑将会给信息技术带来崭新的面貌，稀磁半导体就可以实现这些功能，并且由此产生了一门新兴学科，即自旋电子学。 我们所知的常见的半导体材料都不具有磁性，如：Si、Ge、GaAs、InP、ZnO、GaN、SiC等，而具有磁性的材料如：Fe、Co、Ni等及其化合物不具有半导体的性质，而且它们与半导体材料的表面势垒不能很好地相容。半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，在GaAs、GaN、InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用以及过渡金属离子之间的自旋交换作用可导致这类材料的磁性。这种通过部分取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，称其为“稀磁”。一般地讲，在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，它具有很多独特的性质和广泛的应用。DMS材料同时利用电子的电荷属性和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、高密度非易失性存储器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域有广阔的应用前景，已成为材料领域中新的研究热点。稀磁半导体材料的特点在于存在有磁极子的局域磁矩与载流子的相互作用，从而产生出许多新的性质和新的效应。它的磁输运特性有如：存在有奇异的Hall效应（即Hall系数与磁场的关系类似于一般的磁化曲线，这是由于载流子与磁性Mn原子之间的各向异性散射所致）；存在有非金属-金属-非金属转变（Mn含量较低时呈现非金属行为，Mn含量较高时呈现金属行为，当Mn含量更高时又呈现非金属行为）；具有很大的负磁阻效应；在磁/半导体层异质结中具有自旋共振隧穿效应，即能引起大的隧穿磁电阻（TMR）变化大、无方向性、为负值；具有层间磁耦合作用，对于（磁半导体层/ 非磁半导体层 /磁半导体层）结构，观察到了磁半导体层之间的铁磁耦合和自旋散射与自旋隧穿所引起的磁阻效应。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。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。当材料是稀磁半导体时,偏转角要比非磁性半导体材料大12 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。 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。 稀磁半导体材料可广泛应用于未来的自旋电子器件，人们已经提出了几种自旋电子器件的结构，如自旋阀（SpinValve）、自旋场效应晶体管（Spin-FET）、自旋发光二极管（Spin-LED）等。与传统的半导体器件相比，自旋电子器件具有以下优点：第一、速度快：半导体材料是基于大量的电子运动，它们的速度会受到能量分散的限制，而自旋电子器件是基于电子自旋方向的改变以及自旋之间的耦合，它可实现每秒变化10亿次的逻辑状态功能，所以自旋电子器件消耗更低的能量可以实现更快的速度；第二、体积小：半导体集成电路的特征尺寸是几十纳米，例如，著名的CPU生产厂商Intel公司已经能将单个芯片集成度提高到10亿，此时单个晶体管的尺寸仅为50个纳米左右，但随着芯片集成度的提高、晶体管尺寸的缩小会引发如电流泄漏，发热等一系列的问题。而自旋电子器件的特征尺寸为1纳米左右，由于耗能低，它的发热量微乎其微，这就意味着自旋电子器件的集成度更高、体积更小；第三、耗能低：改变电子的自旋状态所需的能量仅仅是推动电子运动所需能量的千分之一；最后，自旋电子器件还具有非易失性：当电源（磁场）关闭后，自旋状态不会变化，它的这种特性可以用在高密度非易失性存储领域，计算机即使在电源故障时也不会丢失数据，只需要按一下电源开关，就可以从上次关机的状态立即开始。 而且由于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