III-V稀磁性半導體薄膜之研究與發展.pdfVIP

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 (Magnetoresistance Random Access 領域中受到重視與廣泛研究，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(Optical Isolator) 、量子電腦 磁 感 應 器 (magnetic sensor) 、 磁 阻 讀 取 頭 (Quantum Computer)等，目前已陸續成功研發出實用 (Magneto-Resistance read head) 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-Optical recording device)等]以及半導體元件 子學(electronics)兩大領域的自旋電子學以及自旋電 [ 包 括 ： 積 體 電 路 (Integrated Circuits) 、 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(Light Emitting Diode)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 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 (integrated circuit)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(spin injection)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，奈米級尺寸的元件開發勢在必行，