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1、第27卷第2期物理学进展Vol.27,No.22007年6月PROGRESSINPHYSICSJun.,2007文章编号:1000-0542(2007)02-0109-42稀磁半导体的研究进展赵建华,邓加军,郑厚植(中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室,北京100083)摘要:本文主要介绍了III-V族稀磁半导体(Ga,Mn)As的研究进展,包括(Ga,Mn)As的生长制备、基本磁性质、磁输运特征、磁光性质、磁性起源、相关的异质结构和自旋注入等,同时还简单介绍了其它稀磁半导体如IV族、III-VI族和IV-VI族等稀磁半导体的研究进展,在文章的最后描述了理想的稀磁半导体应该具备
2、的特征以及对未来的展望。关键词:半导体自旋电子学;稀磁半导体;异质结构;自旋注入中图分类号:O472+.3;O472+.4;O472+5;O484.1文献标识码:A0引言人们对半导体的研究已经超过了整整一个世纪,我们的日常生活也变得和半导体密不可分。可是在这段漫长的时间里,人们对半导体的利用仅仅是操作了其电子电荷自由度,而它的电子自旋自由度似乎一直受到人们的冷落。举一个简单的例子,当我们打开计算机的主机,就会看到计算机的两个关键功能分别通过半导体材料和磁性材料来实现:信息的加工和临时存储靠半导体集成电路进行,操作的是半导体中电子电荷自由度;信息的非挥发性存储由磁性存储器件执行,操作的是磁性
3、材料的电子自旋自由度。半导体自旋电子学(SemiconductorSpintronics)则试图改变这种现代信息处理技术的模式,即操作半导体中的电子自旋自由度或[1]同时操作半导体中的电子自旋和电子电荷两个自由度来进行信息的加工处理和存储。半导体自旋电子学实际上是为满足信息技术的超高速、超宽带和超大容量发展趋势而迅速发展起来的一门新兴前沿学科,它涉及了凝聚态物理、新型材料和半导体器件工艺等多个领域,其目的是实现电子学、光子学和磁学三者的最终融合,从而提升现有器件的功能和开发新一代半导体自旋器件,并利用半导体中的电子自旋构建进行固态量子计算的量子比特。如果半导体自旋电子学研究的目标能够实现,
4、将对未来的信息技术产生深刻的影响,带来巨大的经济效益。收稿日期:2007-03-20基金项目:国家自然科学基金重点项目(编号:10334030)及创新群体项目(编号:60521001)110物理学进展27卷半导体自旋电子学可以划分为半导体磁电子学(SemiconductorMagneto-electronics)和[2]半导体量子自旋电子学(SemiconductorQuantumSpinElectronics)两个主要研究方向。前者试图通过使用磁性半导体或者半导体与磁性材料的异质结构将磁功能结合到非磁性半导体(如Si和GaAs等)器件或电路中,换言之,将磁与电和光结合到一起,形成所谓的金
5、三角(GoldenTriangles)。人们期望通过半导体磁电子学的研究得到多功能、高性能、超高速和低功耗的半导体自旋器件,例如自旋场效应晶体管(Spin-FET)、自旋发光二极管(Spin-LED)、自旋共振磁隧道结(Spin-RTD)、光隔离器(OpticalIsolator)、磁传感器(MagneticSensor)和非挥发存储器(NonvolatileMemory)等。迄今为止,几个实验室已经设计并制备出一些半导体[3~6]自旋相关的概念型器件,只是工作温度等性能参数尚不能满足实际需要。半导体量子自旋电子学则致力于利用半导体中自旋的量子相干过程实现固态量子计算和量子通讯。已有研究结
6、果表明:非磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度,并且可以用光或电来控[7~9]制,这对于实现固态量子计算和量子通讯有着特别重要的意义。前面提到可以利用磁性半导体或者半导体与磁性材料的异质结构实现对半导体中电子自旋自由度的操作,因此磁性半导体材料的研究近年来受到人们的高度关注,已成为半导体自旋电子学的研究前沿。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(ConcentratedMagneticSemiconductor)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
7、盐结构(NaC-ltype)的EuS和EuO以及尖晶石结构(Spinels)的CdCr2S4和CdCr2Se4[10]等,这些浓缩磁性半导体也被称为第一代磁性半导体。Eu硫族化合物居里温度很低,如未掺杂EuS和EuO的最高居里温度分别为16.5K和69.3K,即使掺入4%的Gd,EuO的最高居里温度也只能达到170K,远低于实际应用的要2+8求,但是Eu硫族化合物的自旋磁矩很大,每个Eu离子(基态为S7/2)的自旋磁矩为
