稀磁半导体_原创文档.pdfVIP

稀磁半导体及其主要性质和应用

稀磁半导体（Dilutedmagneticsemiconductors,DMS）是指非

磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素（transitionmetals,TM）

取代后形成的磁性半导体，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。

从实际应用中来看，以半导体材料为支撑的大规模集成电路空前

的规模和高频率器件在信息处理和传输中扮演着重要的角色，在这些

技术中它们都极大的利用了电子的电荷属性；而信息技术中另一个不

可缺少的方面——信息存储（如磁带、光盘、硬盘等）则是由磁性材

料来完成的，它们极大地利用了电子的自旋属性。然而人们对于电子

电荷与自旋属性的研究和应用是平行发展的，彼此之间相互独立。如

果能同时利用电子的电荷和自旋属性，无疑将会给信息技术带来崭新

的面貌，稀磁半导体就可以实现这些功能，并且由此产生了一门新兴

学科，即自旋电子学。

我们所知的常见的半导体材料都不具有磁性，如：Si、Ge、GaA

s、InP、ZnO、GaN、SiC等，而具有磁性的材料如：Fe、Co、Ni等及

其化合物不具有半导体的性质，而且它们与半导体材料的表面势垒不

能很好地相容。半导体可以通过少量n型或者p型掺杂改变其特性，

因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，在GaAs、GaN、

InP、ZnO等化合物半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁

性离子，由于磁性离子与半导体导带中电子的自旋交换作用以及过渡

金属离子之间的自旋交换作用可导致这类材料的磁性。这种通过部分

取代非磁性离子而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，称其为“稀

磁”。一般地讲，在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性

阳离子所形成的一类新型半导体材料，称之为“稀磁半导体”，它具

有很多独特的性质和广泛的应用。DMS材料同时利用电子的电荷属性

和自旋属性，具有优异的磁、磁光、磁电性能，使其在磁感应器、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，已成为材料领域中新的研

究热点。

稀磁半导体材料的特点在于存在有磁极子的局域磁矩与载流子

的相互作用，从而产生出许多新的性质和新的效应。它的磁输运特性

有如：①存在有奇异的Hall效应（即Hall系数与磁场的关系类似于

一般的磁化曲线，这是由于载流子与磁性Mn原子之间的各向异性散

射所致）；②存在有非金属-金属-非金属转变（Mn含量较低时呈现

非金属行为，Mn含量较高时呈现金属行为，当Mn含量更高时又呈现

非金属行为）；③具有很大的负磁阻效应；④在磁/半导体层异质结

中具有自旋共振隧穿效应，即能引起大的隧穿磁电阻（TMR）——变

化大、无方向性、为负值；⑤具有层间磁耦合作用，对于（磁半导体

层/非磁半导体层/磁半导体层）结构，观察到了磁半导体层之间的

铁磁耦合和自旋散射与自旋隧穿所引起的磁阻效应。

稀磁半导体呈现出强烈的自旋相关的光学性质和输运性质,如巨

塞曼效应、巨法拉第旋转、自旋共振隧穿和自旋霍尔效应等。这些效

应为人们制备半导体自旋电子学器件提供了物理基础。

巨塞曼效应是指由载流子和磁性离子之间的sp2d交换相互作用

引起的电子和空穴的巨大的自旋劈裂效应。采用圆偏振抽运光照射半

导体材料,当一束线偏振的探测光透过材料后其偏振面会发生偏转,

透射光偏振面的偏转角称为法拉第角。当材料是稀磁半导体时,偏转

角要比非磁性半导体材料大1～2数量级。该现象被称为巨法拉第旋

转。可以从法拉第角随时间变化的规律来研究载流子和磁离子自旋的

弛豫和输运,以及如何用外电场、外磁场和光场来操纵自旋。

近年来稀磁半导体材料在磁场下的输运性质有大量的研究,主要

是稀磁半导体结的隧穿和霍尔效应。隧穿输运方面主要是研究通过磁

性半导体结的自旋注入，自旋注入是实现半导体材料自旋电子器件的

首要问题,尤其是如何实现室温下半导体材料中的自旋注入。

在输运性质方面,人们还在铁磁半导体中发现了反常霍尔效应

(或自旋霍尔效应)和各向异性磁电阻。反常霍尔效应引起人们理论

研究的兴趣,反常霍尔效应给我们提供关于磁性半导体薄膜载流子自

旋极