稀磁性半导体薄膜之研究与发展

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1、III-V稀磁性半導體薄膜之研究與發展文/胡裕民結合磁學與電子學兩大領域的自旋電子學以及自旋電子元件的研究與應用，將是未來科學發展的主流之一，而稀磁性半導體薄膜為目前廣為研究的自旋電子材料。本文將針對已被廣泛地使用在高速電子元件以及光電元件中的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，說明III-V稀磁性半導體薄膜研究之歷史背景與現況、鐵磁性之由來機制以及作為自旋電子元件的應用。一、前言合為基礎，在非常低的功率時能有較快的速率。科學家已提出許多自旋電子的雛型元件，例如：磁阻隨機長久以來，磁性材料與半導體材料分別在各自的存取記憶體(MagnetoresistanceRandomAccess領域中受到重視與

2、廣泛研究，並且在元件應用上有著Memory)、自旋電晶體(Spin-FET)、自旋發光二極體亮麗的成果以及不可取代的地位。磁性元件[包括：(Spin-LED)、光阻絕器(OpticalIsolator)、量子電腦磁感應器(magneticsensor)、磁阻讀取頭(QuantumComputer)等，目前已陸續成功研發出實用(Magneto-Resistancereadhead)以及磁光紀錄元件之自旋電子元件。因此，結合磁學(magnetism)與電(Magneto-Opticalrecordingdevice)等]以及半導體元件子學(electronics)兩大領域的自旋電子學以及

3、自旋電[包括：積體電路(IntegratedCircuits)、電晶體子元件的應用，將是未來研究發展的主流之一。(transistor)、雷射(laser)以及發光二極體(LightEmittingDiode)等]乃分別利用電子的自旋(spin)與電荷(charge)目前，相當熱門的半導體自旋電子學領域中，很特性來操作。在資料儲存的領域中，以非短暫重要的議題就是磁電子學(magneto-electronics)，其主(non-volatile)記憶的磁性材料扮演重要的角色，記憶要思考就是如何將磁性的效能與半導體元件功能相資料的磁矩基本源自於電子的自旋。另一方面，隨著結合，它包含了自旋

4、注入(injection)、傳輸半導體材料及元件的技術開發，使得積體電路(transportation)以及偵測(detection)等幾個主要議題的(integratedcircuit)具有高集積度、高訊號處理速度以研究，以提供未來實用自旋電子元件的開發基礎。早及極佳的可靠度。積體電路的運作乃利用載子(carrier,期對於自旋注入(spininjection)的研究集中在如何將包含電子與電洞)的電荷性質，藉由外加電場來控制自旋由鐵磁金屬注入到半導體中，因此相當多的研究半導體中載子的流動。然而，積體電路為達到更快速著力於鐵磁性過渡金屬在半導體基板上的磊晶製更密集的需求時，奈米級尺寸

5、的元件開發勢在必行，程。然而，由於金屬與半導體材料物性的差異，基本此時載子間自旋有關的交換交互作用(exchange限制了自旋注入的效率(efficiency)。近年來，科學家interaction)必須加以考量，因而電子的自旋特性將更對於高自旋注入材料的研究中，發現兩類新穎的材為重要。因此，奈米結構下的電子元件若能同時運用料：一類是具有近100%自旋極化的單自旋金屬電子的電荷與自旋兩種特性，將可發展出新一代多功(half-metal)物質[如：CrO2、混價亞錳酸鹽(Mixed能的自旋電子元件。[1-3]valenceManganites)：(La1-xAx)MnO3(x~0.3,

6、A=Sr,Ca,Ba)、Fe3O4、雙鈣鈦礦(DoublePerovskites)：A2BB’O6換句話說，傳統的電子元件運作是以電荷的數目(A=Sr,Ca,Ba，B=Fe,Co，B’=Mo,Re)等][4-9]；以及能量為基礎，在速率以及能量消耗方面有其限另一類則是具有鐵磁性的稀磁性半導體(diluted制；而自旋電子元件運作是以自旋的方向以及自旋耦物理雙月刊（廿六卷四期）2004年8月587magneticsemiconductor，簡稱DMS)。1960年左右所研究發現的“concentrated”磁性半導體(如圖一(a)所示)：EuropiumchalcogenidesDMS

7、的晶體結構與化學鍵結最能與現有電子元(rock-salttype，如：EuSe、EuO)、chromium件中半導體材料相匹配，在居禮溫度(Curiechalcogenides(spinels，如：CdCr2S4、CdCr2Se4)，由temperature)以下其能帶的基曼分裂(Zeemansplitting)於它們的鐵磁居禮溫度(Curietemperature)低於可以產生大的自旋偏極化，因此可作為自旋電子元件100K，而且不利於異質結構(heter