更新时间：2022-08-25 18:59
稀磁半导体是一部分金属离子被磁性离子 (过渡元素及稀土元素离子)取代的化合物半导体。
分子式以 A1-xMxB表示，由普通化合物半导体 AB和磁性半导体MB组成，其中磁 性离子M无规则地占据A的子格 点。x≤0.36为闪锌矿型，0.30 磁学性质取决于磁性离子在晶格场中的磁性及磁性离子间的反铁磁作用的强度，可有顺磁、自旋玻璃和反铁磁等状态。 由于顺磁离子的局域自旋磁矩和与之相联系的能带电子自旋磁矩产生一种新的交换作用 (sp-d交换作用)，使其具有 与普通半导体截然不同的性质，如反常的大磁光效应及巨负阻效应。
磁性离子掺入到半导体中替代部分阳离子的位 置形成稀磁半导体，通过局域自旋磁矩和载流子之间 存在强烈的自旋-自旋交换作用，在外加电场或者磁 场的影响下，会使载流子的行为发生改变，从而产生 异于半导体基质的特性。
自旋-自旋交换相互作用是 DMS 材料区别于非磁半导体材料的关键，也是形成 各种磁极化子的主要原因。在 DMS 中，交换作用包括类 s 导带电子和类 p 价带电子同磁性离子的 d 电子 间的交换作用(sp-d 交换作用)和磁性离子的 d 电子间 的交换作用(d-d 交换作用)。
Soalek 等人分析了许多试验结果后发现在 Mn 基 DMS 中，决定交换积分大小的主要是最近邻 Mn2+离子的距离。实验表明，在 DMS 中磁性离子问的交换作用是在畸变了的晶格中以阴离子为媒介的超交换作用。
磁性离子掺杂到半导体结构中形成 DMS 后，载 流子自旋和磁性离子自旋之间存在交换耦合作用，磁 性离子自旋可以产生铁磁性极化作用将载流子俘获 在铁磁自旋簇中，形成磁束缚态极子。随着外加磁场 的增加，内部的束缚态磁极化子(BMP)越来越多的被 破坏掉，使更多的载流子被释放出来参与导电。因此， 稀磁半导体样品在低温下呈现负的磁阻效应。
H. Ohno研究了Ga1-xMnxAs的稀磁半导体材料， 随Mn参杂浓度变化，样品呈现金属性及绝缘性能。 实验发现，金属性样品的负磁阻性会随着温度T的降 低而增强，当温度上升到Tc时有最大值出现；绝缘性 样品则是随着温度低于Tc后，仍然有所增强，并且在 低温条件下，磁场对于磁阻的影响会更加显著。
磁光效应的增强是 DMS 材料的又一特性，光偏振面的角度变化（法拉第角）可以反映材料内部 d 电 子与 p 及 s 电子之间相互作用的相对强弱。
分子束外延（MBE）技术由于其在原子尺度上精 确控制外延膜厚、掺杂和界面平整度的特点，明显优 于液相外延法和气相外延生长法，更有利于生长高质 量DMS薄膜。
采用低温分子束外延（LT-MBE）技术， 能够有效的抑制新相的析出，同时辅助以高能电子衍 射仪（RHEED），监控生长过程中的表面再构过程， 从而对于样品的组分及其性能进行控制。
但是，LT-MBE方法的生长温度过低，从而使 GaAs半导体的一些性质依赖于LT-MBE的某些工艺 条件(例如衬底温度，As过压等)。
金属有机化学气相沉积
MOCVD法利用有机金属热分解进行气相外延生 长，可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料， 形成厚度精确控制到原子级的薄膜，从而又可以制成 各种薄膜结构型材料。MOCVD法主要用于制 备Ⅱ-Ⅵ及Ⅲ-Ⅴ族的稀磁半导体。
离子注入法
在对于DMS 材料的研究中，各国科研人员采用 离子注入方法来引入磁性离子。通常加速电压在数百 keV，且退火温度往往高于600℃。
对于常规离子注入，由于注入的离子经过电场的 加速作用而具有一定的能量，衬底温度较高和退火过 程中热动力学因素的影响，使得样品中不可避免地 形成诸如MnGa及MnAs等杂相。因此，采用低能离子 注入及低衬底温度下注入以抑制新相的生成，是一个 具有研究价值的新方法。
激光脉冲沉积
PLD方法较为普遍的应用在氧化物DMS制备中， 如Mn掺杂 ZnO、Co掺杂 TiO2等材料。靶材由相关 金属离子的氧化物在高温下烧结而成，如ZnO与 Mn3O4按一定比例混合后在900℃煅烧12h，制成陶瓷 靶。生长温度随材料的不同在350～750℃之间变 化。
一般没有退火过程，较为常见的基片包括蓝宝石、 LaAlO3、SrTiO3、SiO2及普通玻璃。 利用PLD制备的DMS材料，较易形成磁性离子的 团簇，从而降低材料的实用价值。
其它方法
对于大多数稀磁半导体的体材料来说，较为流行 的方法是布里奇曼（Bridgeman）法。其主要的生长 过程是首先将要生长的材料升温至熔点以上，然后通 过控制熔体降温方式来获得高质量的体单晶。
溶胶-凝胶法也被用来制备某些氧化物DMS的微 粉和薄膜。如韩国科研人员将Zn、Co的醋酸盐溶于 2-甲氧乙醇，做为前驱体，后在700℃空气气氛下快 速退火1min，获得厚度约200nm的Co掺杂 ZnO薄膜。 样品在350K时仍有观察到较为明显的磁滞回线。
磁控溅射法由于工艺简便，性能稳定等特点，可用来制备ZnO:(Co, Fe)，ZnO:(Co, Al)，TiO2:Co等DMS 材料。实验表明，该法制备的样品也在室温下发现具有铁磁性。
稀磁半导体兼具半导体和磁性材料的性质，使同时利用半导体中的电子电荷与电子自旋成为可能，为开辟半导体技术新领域以及制备新型电子器件提供了条件。
尽管对于DMS材料应用的研究尚处于实验探索阶段，但已展示出其广阔的应用前景。如将 DMS材料用作磁性金属与半导体的界面层，实现自旋极化的载流子向非磁性半导体中的注入，可用于自旋 极化发光二极管的制造。
而对于某些铁磁层/无磁 层的多层异质结构，如GaMnAs/AlGaAs/GaMnAs 等，通过调节外部参数如温度、电场等，可控制半导体层中的载流子浓度以及磁性层间的磁耦合，这种特性能够应用于制造磁控、光控的新型超晶格器件。