[科普中国]-ZnO基稀磁性半导体

在非磁性半导体中一定比例的原子被磁性离子所代替形成的合金材料称为稀释磁性半导体(DMS)，以ZnO为基体的称为ZnO基稀磁性半导体。

在稀磁半导体材料的研究中，最初的工作都是集中在Ⅱ-Ⅵ族半导体，部分Ⅱ族元素的原子被Mn原子随机取代。Dietl人首先预言了Mn掺杂的P型ZnO居里温度高于300 K，而Fe，Co或者Ni掺杂的ZnO在电子掺杂的情况下被预言具有稳定高居里温度铁磁性。对于空穴掺杂的ZnMnO，载流子引起的铁磁性也从理论上得到了预言，同时，利用改进P型掺杂的方法以改善铁磁性质也有报道。

稀释磁性半导体稀释磁性半导体(DMS)材料又叫做半导体自旋电子材料。在过去的十几年里，自旋电子学大大地提高了硬盘的容量，迅速进入计算机应用领域。在下一个十年，半导体自旋电子学有潜力在微电子和光电子技术中获得重要的应用。从长远来看，更具有革命性的应用是在量子计算中，这涉及限域体系中自旋相干耦合的量子力学规律的应用。

金属自旋电子器件提供了存储和阅读硬盘、磁带或者MRAM上信息的新方法，而半导体自旋电子学则提供更加丰富的应用方式。应用半导体自旋电子学能够发展一种集成存储、探测、逻辑和通信功能于一体的单个芯片，来代替多个部件。例如，它可以比现在的MRAM原型更好地集成MTJ和硅基电子学器件。半导体的光学性质也特别有利于转换磁学信息成为光学信号。同时，自旋的操控比传统电子学中电荷的操控在速度和需要的能量方面更具有优势，开发这些优点的概念性器件已经被提出。1

ZnO基稀磁性半导体研究对于n型ZnO掺杂大多数过渡金属离子如Co和Cr都具有铁磁性，而Mn掺杂的ZnO则没有铁磁性。实验上，在n型ZnO中观察到铁磁性，隘掺杂ZnO居里温度高于300 K。采用激光脉冲沉积技术在不同的衬底温度(400～700℃)下在蓝宝石(0001)上制备了Zn0.75Co0.25O薄膜，如下图所示。

结构和磁学性质的研究结果显示，铁磁六角Co团簇的存在导致了Co掺杂ZnO薄膜中的铁磁性。W.Prellier等人给出了在zn1-xCoxO薄膜中均匀引入Co产生了铁磁性，当x=0.08时居里温度接近室温，x=0。05时为150 K。

离子注入也被用来研究氧化物半导体材料中过渡金属离子的磁学性质。在部分过渡金属离子注入的ZnO单晶中，如(Co，Mn)共掺杂的ZnO∶Sn和(Cr，Fe)共注ZnO体单晶的材料中，观察到了高温铁磁性。

最近，高于室温的铁磁性在hhl掺杂的ZnO体小球和2～3μm厚的透明薄膜样品中被观察到。铁磁共振谱(FMR)研究被用来探测铁磁有序以及可能存在的其他磁性样品，并且清楚地给出了对于名义上摩尔分数为2%Mn掺杂ZnO小球的铁磁谱，Tc超过425 K，如下图所示。2

制备方法离子注入离子注入法是将需要注入的离子以一定的能量轰击受注材料，离子以很高的速度进入受注材料内部的一种技术。

离子注入通常被广泛应用于硅技术工业中的集成电路工艺，因为它具有可靠性，离子剂量的精确性和可重复性等。在半导体自旋电子材料开始被研究后，离子注入被给予了更多的关注，因为它是结合特殊磁性掺杂和受注半导体用于高温铁磁性质的非常有用的技术。过渡金属离子如Mn，Fe，Co和Ni等，被注入主半导体材料，包括GaN，AIN，GaP，SiC，ZnO∶Sn，ZnCeSiN2和AlGaP等。

离子注入具有和分子束外延类似的优点，可以超越溶解度限制将杂质注入宽禁带半导体材料以获得高瓦铁磁性，这有助于提高DMS的居里温度。

分子束外延分子束外延是一种多用途和可控制的薄膜生长技术。磁性元素在Ⅲ．V族半导体中的溶解度是非常低的，但是为了在DMS中获得铁磁性，一定数量的磁性离子是必需的。而这只能通过非平衡晶体生长技术才能实现，比如低温分子束外延(LT-MBE)。在最初的工作中，采用MBE方法生长了Mn含量在6%~9%(摩尔分数)的(Ga，Mn)N薄膜，显示了很清晰的磁滞回线，在300 K时的矫顽力大约为4 138.22~6 764 A/m。MBE生长的n型(Ga，Mn)N薄膜也被报道具有室温铁磁性。在MBE GaN中，磁性离子的最高浓度限制大概在10%左右。居里温度一般在220～370K范围内，依赖于制备的条件。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学