[科普中国]-磁性半导体

磁性半导体（英语：Magnetic semiconductor）是一种同时体现铁磁性（或者类似的效应）和半导体特性的半导体材料。

定义磁性半导体（英语：Magnetic semiconductor）是一种同时体现铁磁性（或者类似的效应）和半导体特性的半导体材料。如果在设备里使用磁性半导体，它们将提供一种新型的导电方式。传统的电子元件都是以控制电荷自由度（从而有n型和p型半导体）为基础工作，磁性半导体能控制电子的自旋自由度（于是有了上旋和下旋的元件），在理论上可以实现自旋注入率接近百分之百的自旋极化。理论上，这将提供接近完全的自旋极化（在铁等材料中仅能提供至多50%的极化），这是自旋电子学的一个重要应用，例如自旋晶体管（spin transistors）。1

发展历史磁性半导体发展历史可分为三段。

第一代磁性半导体关于磁性半导体的研究可以追溯到上个世纪60年代。我们首先来简单回顾一下关于浓缩磁性半导体(Concentrated Magnetic Semiconductor)的研究进展。所谓浓缩磁性半导体即在每个晶胞相应的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半导体，例如Eu或Cr的硫族化合物：岩盐结构(NaC-ltype)的EuS和EuO以及尖晶石结构(Spinels)的CdCr2S4和CdCr2Se4等，这些浓缩磁性半导体也被称为第一代磁性半导体。

限制浓缩磁性半导体实际应用的不仅仅是其远低于室温的居里温度，高质量的浓缩磁性半导体薄膜及其异质结构的生长制备和加工方面也存在着难以克服的困难，因此，迄今为止这些岩盐结构和尖晶石结构的磁性半导体主要用于基础研究和概念型器件的研究。1

第二代磁性半导体进入上个世纪80年代，人们开始关注稀磁半导体(DilutedMagneticSemiconductor)即少量磁性元素与II-VI族非磁性半导体形成的合金，如(Cd，Mn)Te和(Zn，Mn)Se等，这些II-VI族稀磁半导体可以称为第二代磁性半导体。

虽然II-VI族稀磁半导体相对容易制备，但是若掺杂成n型或p型却是非常困难的，这严重地限制了其实际应用。尽管如此，人们对II-VI族稀磁半导体的研究和探索一直没有放弃，近年来，又不断地取得一些新进展，例如，一些II-VI族稀磁半导体在极低温度下呈现出铁磁性，最近，Saito等宣布得到了居里温度接近室温的II-VI族稀磁半导体(Zn，Cr)Te。此外，II-VI族稀磁半导体的纳米结构如(Cd，Mn)Se量子线和量子点以及(Cd，Mn)Te量子线和量子点也被广泛研究。1

第三代磁性半导体上世纪80年代末和90年代中期，利用低温分子束外延技术(LT-MBE)生长的Mn掺杂III-V族稀磁半导体(InMn)As和(Ga，Mn)As等引起了人们的高度关注，我们可以称以(Ga，Mn)As为代表的III-V族稀磁半导体为第三代磁性半导体。这些III-V族稀磁半导体很容易与III-V族非磁性半导体GaAs、AlAs、(Ga，Al)As和(In，Ga)As等结合形成异质结构，并且与呈现巨磁阻(GMR)效应的金属多层膜类似，其异质结构中也存在着自旋相关的散射、层间相互作用耦合、隧穿磁阻等现象。更有意义的是，几个实验室已经得到了III-V族稀磁半导体自旋相关器件的一些雏形。例如，Ohno实验室设计制备出(Ga，Mn)As基自旋光发射二极管(Spin-LED)和(In，Mn)As基自旋场效应晶体管(Spin-FET)等。可以说，(Ga，Mn)As等III-V族稀磁半导体的问世揭开了磁性半导体研究新的一页。目前，(In，Mn)As和(Ga，Mn)As的居里温度分别低于90K和173K，尚不能满足实际工作要求。Dietl等用平均场模型计算得出一些半导体(包括III-V、II-VI和IV族)的居里温度在Mn掺杂含量和空穴浓度达到一定水平时可以提高到室温以上，因此，提高稀磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为目前半导体自旋电子学研究的一个热点。2

现状目前磁性半导体研究热点为主要为两类半导体：稀磁半导体、铁磁半导体。

稀磁半导体稀磁半导体（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。因为一般掺入的杂质浓度不高，磁性比较弱，因而叫做稀磁半导体，或者半磁半导体。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，因而引起科研工作者的广泛关注，目前尚处于研究阶段。存在的问题集中于稀磁半导体的磁性来源，倘若研究结果与人设想的相同，则必将给计算机领域带来一场新的革命。

稀磁半导体兼具半导体和磁性材料的性质，使同时利用半导体中的电子电荷与电子自旋成为可能，为开辟半导体技术新领域以及制备新型电子器件提供了条件。尽管目前对于DMS材料应用的研究尚处于实验探索阶段，但已展示出其广阔的应用前景。如将 DMS材料用作磁性金属与半导体的界面层，实现自旋极化的载流子向非磁性半导体中的注入，可用于自旋 极化发光二极管的制造。而对于某些铁磁层/无磁 层的多层异质结构，如GaMnAs/AlGaAs/GaMnAs 等，通过调节外部参数如温度、电场等，可控制半导 体层中的载流子浓度以及磁性层间的磁耦合，这种特 性能够应用于制造磁控、光控的新型超晶格器件。1

铁磁半导体以下是几种铁磁半导体：

掺锰的砷化铟和砷化镓(GaMnAs)，居里温度在分别在50-100k和100-200k。

掺锰的锑化铟，不过在常温下具有铁磁性和锰浓度不到1%。

氧化物类半导体：

1.掺锰的氧化铟，常温下具有铁磁性。

2.氧化锌

3.掺锰的氧化锌

4.掺n型钴的氧化锌

二氧化钛：掺钴的二氧化钛，常温下具有铁磁性且居里温度在400K以上；铬掺杂进二氧化钛，常温下 具有铁磁性且居里温度在400K以上。

氧化锡：锰掺杂氧化锡，居里温度在340K以上；铁离子掺杂进氧化锡，居里温度在340K左右；锶掺杂进氧化锡，是稀磁半导体，可以通过人工手段在硅片上生长出薄膜。

氧化铕： 居里温度在69k左右，通过掺杂其他元素也可以使它的居里温度提高一倍。

氮化物类半导体：铬掺杂进氮化铝。1

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学