互动科普

高温磁性半导体

磁性半导体在电子元件上的应用指日可待

Graham P. Collins

大多数电子器件通过电荷的移动来发挥功能，而自旋电子学(spintronics)这门新技术，则不仅利用了电荷，还利用了电子的自旋特性。自旋与磁性密切相关，自旋电子的最早应用包括计算机存储装置的磁头和断电后仍可保存数据的磁性随机存储器(MRAM)(参见本期2002年第9期(《量子微芯片还有多远？》一文）。

然而除了磁头和MRAM外，应用自旋电子技术的电脑芯片及其他更复杂的电脑元件，到目前还没有出现，因为这些元件可能要用到磁性半导体，而目前的半导体在常温下没有磁性。最近，一些研究小组在这方面有了突破性的进展。

掺杂锰的砷化镓是研究得最多的磁性半导体之一。l998年，由日本东北大学大野英男领导的一个研究小组证明，这种材料直到绝对温度110K(一163℃)都还保有铁磁性(铁磁性是个技术术语，指外加磁场关闭后物质的保留磁性)。在液态氮的温度下，这种材料已经用于演示发光二极管(LED)，其中自旋偏极化的电子与电洞会使穿透出的光线偏极化。

2002年底，日本东京大学的田中雅明及合作者在研究中发现，只需经过相对简单的退火处理，就可使这种材料保有铁磁性的温度(所谓居里温度)提高到172度(一101℃)。尽管这一温度仍然远低于常温，但美国加州大学圣巴巴拉分校的自旋电子学专家D Awschalom表示，这一结果是“真正的里程碑。”

东京大学团队研制的这种材料是一种多层的异质结构，利用分子束小心地一层一层叠制而成(这一过程称为分子束外延)。掺有锰的那层只相当于3个原子的厚度，像三明治一样夹在两层未掺杂锰的砷化镓之间，然后一起置于掺有铍的薄层上。近来，许多机构的研究人员通过对掺锰的砷化镓进行退火处理，就可以使居里温度达到150K，不再需要精心叠制异质结构了。

美国佛罗里达大学的F. Hebard及其同事实现了更高的居里温度。他们用高能离子束，将锰嵌入掺有碳的磷化镓中，结果保有磁性的温度达到了300K，也就是常温。要使这一材料更具实用性，还必须用更容易控制的

方法，例如分子束外延技术，制作出更有序的材料。Hebard指出，磷化镓非常适合与硅集成，因为这两种材料的原子间距差不多。也有人认为，磷化镓与铟铝合金的组合，或许能够得到高温的铁磁性，这种材料目前已经用在发光二极管上了。

据报道，有些半导体可以达到更高的居里温度。例如2002年年初，日本石川县北陆先端科学技术大学院大学的堀秀信宣布，从实验中的传导温度已达750K来推测，他们已得到940K的居里温度。这个研究小组使用的材料是氮化镓，同时也掺了锰，而且还用了分子束外延技术。不过，要证实在如此之高的温度下仍有铁磁性，需有待更多的研究。

以目前所有的材料，要做出实用的铁磁性半导体，还有很长的路要走。Hebard说：“与其坐而论道，不如看谁能把东西做出来。”

[范淑霞／译  曾少立杨光／校]