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磁性半導體
鎖定
- 中文名
- 磁性半導體
- 外文名
- Magnetic semiconductor
- 原 理
- 新型的導電方式
- 分 類
- 稀磁半導體、鐵磁半導體
- 學 科
- 電機工程
磁性半導體定義
磁性半導體（英語：Magnetic semiconductor）是一種同時體現鐵磁性（或者類似的效應）和半導體特性的半導體材料。如果在設備裏使用磁性半導體，它們將提供一種新型的導電方式。傳統的電子元件都是以控制電荷自由度（從而有n型和p型半導體）為基礎工作，磁性半導體能控制電子的自旋自由度（於是有了上旋和下旋的元件），在理論上可以實現自旋注入率接近百分之百的自旋極化。理論上，這將提供接近完全的自旋極化（在鐵等材料中僅能提供至多50%的極化），這是自旋電子學的一個重要應用，例如自旋晶體管（spin transistors）。
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磁性半導體發展歷史
磁性半導體發展歷史可分為三段。
磁性半導體第一代磁性半導體
關於磁性半導體的研究可以追溯到20世紀60年代。我們首先來簡單回顧一下關於濃縮磁性半導體（Concentrated Magnetic Semiconductor）的研究進展。所謂濃縮磁性半導體即在每個晶胞相應的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半導體，例如Eu或Cr的硫族化合物：岩鹽結構（NaC-ltype）的EuS和EuO以及尖晶石結構（Spinels）的CdCr2S4和CdCr2Se4等，這些濃縮磁性半導體也被稱為第一代磁性半導體。
限制濃縮磁性半導體實際應用的不僅僅是其遠低於室温的居里温度，高質量的濃縮磁性半導體薄膜及其異質結構的生長製備和加工方面也存在着難以克服的困難，因此，迄今為止這些岩鹽結構和尖晶石結構的磁性半導體主要用於基礎研究和概念型器件的研究。
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磁性半導體第二代磁性半導體
進入20世紀80年代，人們開始關注稀磁半導體（Diluted Magnetic Semiconductor）即少量磁性元素與II-VI族非磁性半導體形成的合金，如（Cd，Mn）Te和（Zn，Mn）Se等，這些II-VI族稀磁半導體可以稱為第二代磁性半導體。
雖然II-VI族稀磁半導體相對容易製備，但是若摻雜成n型或p型卻是非常困難的，這嚴重地限制了其實際應用。儘管如此，人們對II-VI族稀磁半導體的研究和探索一直沒有放棄，近年來，又不斷地取得一些新進展，例如，一些II-VI族稀磁半導體在極低温度下呈現出鐵磁性，最近，Saito等宣佈得到了居里温度接近室温的II-VI族稀磁半導體（Zn，Cr）Te。此外，II-VI族稀磁半導體的納米結構如（Cd，Mn）Se量子線和量子點以及（Cd，Mn）Te量子線和量子點也被廣泛研究。
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磁性半導體第三代磁性半導體
20世紀80年代末和90年代中期，利用低温分子束外延技術（LT-MBE）生長的Mn摻雜III-V族稀磁半導體（InMn）As和（Ga，Mn）As等引起了人們的高度關注，我們可以稱以（Ga，Mn）As為代表的III-V族稀磁半導體為第三代磁性半導體。這些III-V族稀磁半導體很容易與III-V族非磁性半導體GaAs、AlAs、（Ga，Al）As和（In，Ga）As等結合形成異質結構，並且與呈現巨磁阻（GMR）效應的金屬多層膜類似，其異質結構中也存在着自旋相關的散射、層間相互作用耦合、隧穿磁阻等現象。更有意義的是，幾個實驗室已經得到了III-V族稀磁半導體自旋相關器件的一些雛形。例如，Ohno實驗室設計製備出（Ga，Mn）As基自旋光發射二極管（Spin-LED）和（In，Mn）As基自旋場效應晶體管（Spin-FET）等。可以説，（Ga，Mn）As等III-V族稀磁半導體的問世揭開了磁性半導體研究新的一頁。（In，Mn）As和（Ga，Mn）As的居里温度分別低於90K和173K，尚不能滿足實際工作要求。Dietl等用平均場模型計算得出一些半導體（包括III-V、II-VI和IV族）的居里温度在Mn摻雜含量和空穴濃度達到一定水平時可以提高到室温以上，因此，提高稀磁半導體的居里温度、探索新的磁性半導體材料已經成為半導體自旋電子學研究的一個熱點。
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磁性半導體現狀
磁性半導體研究熱點為主要為兩類半導體：稀磁半導體、鐵磁半導體。
磁性半導體稀磁半導體
稀磁半導體（Diluted magnetic semiconductors，DMS）是指非磁性半導體中的部分原子被過渡金屬元素（transition metals，TM）取代後形成的磁性半導體。因為一般摻入的雜質濃度不高，磁性比較弱，因而叫做稀磁半導體，或者半磁半導體。因兼具有半導體和磁性的性質，即在一種材料中同時應用電子電荷和自旋兩種自由度，因而引起科研工作者的廣泛關注，尚處於研究階段。存在的問題集中於稀磁半導體的磁性來源，倘若研究結果與人設想的相同，則必將給計算機領域帶來一場新的革命。
稀磁半導體兼具半導體和磁性材料的性質，使同時利用半導體中的電子電荷與電子自旋成為可能，為開闢半導體技術新領域以及製備新型電子器件提供了條件。儘管對於DMS材料應用的研究尚處於實驗探索階段，但已展示出其廣闊的應用前景。如將DMS材料用作磁性金屬與半導體的界面層，實現自旋極化的載流子向非磁性半導體中的注入，可用於自旋極化發光二極管的製造。而對於某些鐵磁層/無磁層的多層異質結構，如GaMnAs/AlGaAs/GaMnAs等，通過調節外部參數如温度、電場等，可控制半導體層中的載流子濃度以及磁性層間的磁耦合，這種特性能夠應用於製造磁控、光控的新型超晶格器件。
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磁性半導體鐵磁半導體
以下是幾種鐵磁半導體：
- 摻錳的砷化銦和砷化鎵（GaMnAs），居里温度在分別在50-100k和100-200k。
- 摻錳的銻化銦，不過在常温下具有鐵磁性和錳濃度不到1%。
- 氧化物類半導體：1.摻錳的氧化銦，常温下具有鐵磁性。2.氧化鋅。3.摻錳的氧化鋅。4.摻n型鈷的氧化鋅。
- 二氧化鈦：摻鈷的二氧化鈦，常温下具有鐵磁性且居里温度在400K以上；鉻摻雜進二氧化鈦，常温下 具有鐵磁性且居里温度在400K以上。
- 氧化錫：錳摻雜氧化錫，居里温度在340K以上；鐵離子摻雜進氧化錫，居里温度在340K左右；鍶摻雜進氧化錫，是稀磁半導體，可以通過人工手段在硅片上生長出薄膜。
- 氧化銪：居里温度在69K左右，通過摻雜其他元素也可以使它的居里温度提高一倍。
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