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。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）。

磁性半导体发展历史可分为三段。

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。

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。

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。

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。

详见词条“ 稀磁半导体”。

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。