[科普中国]-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。

简介合金的过程中，通过克服低溶解度的困难，大约5%的Mn被引入InAs中。关键是采用低温分子束外延(LT-MBE)，在真空中，原子层按照高度可控的方式被排列而不会发生不想要的反应：。当制备温度大约为250'12时，突破发生了。InAs和Mn实际上形成了一个真正的合金，而不是分离的结晶。令人振奋的是，不仅仅磁性杂质被引入半导体中，而且新材料是铁磁性的。这种在非磁性半导体(此处如InAs)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)。

进一步的研究在CaAs中获得了同样的效应。当优化制备技术时，重点跟踪研究转变温度随眷Mn浓度的变化如何增长。最终的目标是在室温下实现磁学性质如铁磁性。迄今为止，居里温度最高为170 K。铁磁性平均场模型的理论计算表明，通过增加更高的Mn和空穴浓度提高居里温度是可能的，至少需要15%~20%的Mn。迄今为止，使用LT-MBE将Mn浓度提高到8%~10%的时候，就不能得到均一的材料。

稀释磁性半导体材料的制备宽带隙半导体材料可能具有室温或者更高温度的铁磁性依赖，大量不同的材料制备方法被成功地用于研究宽带隙DMS的合成。常见的半导体材料制备手段，如分子束外延(MBE)，金属有机化学气相淀积(MOCVD)，离子注入，氨热法，脉冲激光溅射(PLD)，磁控溅射，溶胶-凝胶法，氢化物气相外延(HVPE)等被分别用来合成各种宽带隙DMS材料。各种方法制备的宽带隙DMS材料在室温都显示出了清晰的铁磁信号。

目前已经得到研究的宽带隙DMS材料主要包括掺杂磁性离子的GaP、GaN或者ZnO等。

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。

利用等离子增强分子束外延(PEMBE)技术，制备了Mn和Mg共掺杂CaN薄膜，并且观察到室温下的铁磁性。在薄膜中，Mg的结合和铁磁性之间并不是直接相关，因为随着Mg源温度的改变，并没有观察到饱和磁化强度的变化。Mg的共掺杂减少了Mn的掺入，但是提高了GaMnN薄膜的导电率。同时，饱和磁化强度和矫顽力增加了。当Mn的浓度持续减少到约为0.3%时，观察到载流在DMS中引起铁磁性发挥的关键作用。1

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。在张荣等的研究中，重掺杂Mn的注入浓度可以达到1.54×10/22，并且显示了室温铁磁性，如下图所示。

基于稀磁半导体材料的自旋功能器件由于稀磁半导体很大程度上考虑了静电势垒(界面电子结构的匹配问题)对自旋极化注入的不利影响，尤其是近期研究的透明半导体系列具有很多独特的磁光、磁电等性质，因此稀磁半导体在磁感应器、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。近期广泛开展的稀磁半导体基的自旋功能器件研究表明，与传统的半导体器件相比，自旋电子功能器件具有以下优点：

(1)体积小，现今半导体集成电路的特征尺寸是几十纳米，但随着芯片集成度的提高，晶体管尺寸的缩小会引发漏电和器件发热等很多问题。而自旋功能器件的特征尺寸为几纳米左右，特别是改变电子的自旋状态所耗能量甚低，这就为开发微型自旋功能器件创造了条件。

(2)运行速度快，自旋功能器件的操控是基于磁性载流子自旋方向的改变以及自旋之间的耦合，每秒的逻辑操作可达上亿次。

(3)自旋功能器件操作具有非易失性，即当电源关闭后，自旋状态仍然保留不变直至下次开启，这种特性可以应用在高密度非易失性存储器件领域。

基于稀磁半导体材料的自旋功能器件可大致分成两类，一类是与自旋极化率密切相关的自旋功能器件；另一类是与自旋相位干涉有关的量子信息器件。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学