GaN基磁性半导体材料研究

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GaN基磁性半导体材料研究

作者：陶志阔陈琳

来源：《中国科技纵横》2012年第22期

摘要：磁性半导体材料与器件研究是自旋电子学研究中的一个重要方向，Mn掺杂GaN以及Fe掺杂GaN材料是磁性半导体材料研究领域的两个重要分支，本文中我们对这两个研究方向做了简要的分析与综述，同时我们用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长出Mn 掺杂GaN材料以及Fe掺杂GaN材料，并对其结构以及磁学性能等进行了分析和讨论。

关键词：氮化镓室温铁磁性 MOCVD

电荷是电子最基本的一个内禀属性，以电荷自由度为基础的传统电子学造就了现代半导体工业的辉煌。然而除了电荷，电子还具有另外一个内禀属性——自旋。在传统的电子学技术当中，电子的自旋特性并没有被充分利用。随着科学技术的进步，怎样有效的操控电子自旋从而设计新型的器件引起了科学家们的广泛关注，同时也促进了一门新的交叉学科——自旋电子学（Spintronics）的发展。作为自旋电子学材料的一个重要组成分类，磁性半导体是指由磁性过渡族金属元素或稀土金属元素部分替代半导体材料中的非磁性元素后所形成的一类新型化合物半导体材料。相对于传统的磁性材料而言，其磁性元素的含量比较少，所以又称之为稀释磁性半导体。稀释磁性半导体在自旋电子器件的实现上有着很大的优势，在晶体结构上，稀释磁性半导体的制备完全可以借鉴现有的半导体制备工艺技术，在材料生长过程中进行同质外延，生长出高质量的薄膜，足以满足器件要求；另一方面，晶格中磁性离子介入后，能带结构由于塞曼分裂而产生巨大的自旋劈裂，从而产生自旋极化电流，所以完全可以充当自旋极化电流的源层应用到自旋电子学器件当中去。

目前关于稀释磁性半导体磁性起源的理论主要可以分为两类。第一类理论立足于平均场近似的前提之上。该理论认为，磁性离子均匀随机的以替位形式进入半导体晶格当中，并通过某种均匀场的形式相互耦合，从而对外显现出宏观铁磁性。第二类理论把磁性的产生归功于晶格中磁性原子集结成的纳米团簇，主要是指含量极少的磁性金属颗粒以及其他相化合物。而对于不同方法制备的稀释磁性半导体材料，其结构相对有所不同，也就导致了其磁学、光学以及输运性质的不同。在第一类理论之中，由Dietl等人提出的基于Zerner模型的平均场理论[1，2]

被普遍接受用以解释稀释磁性半导体的磁性来源。Zerner模型最初被用来解释稀土金属的磁性起源问题，该模型认为磁性的产生来源于巡游电子与局域自旋之间的交换作用。Dietl等人发

现基于该模型并结合考虑等效平均场、以及极化载流子诱导的离子间交换耦合作用的各向异性之后，可以很好的解释GaMnAs、InMnAs等DMS材料的磁学行为，并能相对准确的验证此类DMS材料的居里温度。尤为重要的是，该理论结果指出，当材料中Mn离子浓度达到5%、空穴浓度达到1020cm-3之后，ZnO、GaN以及其他一些半导体材料可以表现出室温铁磁性。虽然相对于目前的实验技术，这些条件比较难以达到，但该理论仍然掀起了ZnO、GaN基等稀

磁半导体的研究热潮。N化物半导体材料具有比较小的晶格常数，从而使得价带轨道与磁性离子之间产生很强的杂化效应。所以，在N化物稀磁半导体材料内部，价带空穴和局域磁性离