磁性半導體（Ferromagnetic Semiconductor）

磁性半導體（Ferromagnetic Semiconductor）
國立彰化師範大學物理所陳建淼研究生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

首先，先簡略介紹半導體的概念：半導體物質為介於導體與非導體間之物質，其導電性在導體與絕緣體之間，並隨溫度而增加。半導體最常利用矽當作半導體材料，因為純矽本身導電性低，故需加入特定雜質來增加導電性，常用的雜質有V A族，價電子數為5，所以可大量增加電子數目，而產生n型半導體；如果用III A族，價電子數為3，則大量增加電洞數目，而產生 p 型半導體。

半導體利用通過電子傳導或電洞傳導的方式傳輸電流。半導體產品已廣泛運用在電腦產業，如：積體電路、光電半導體、分離式元件—電晶體、二極體。 半導體—微電子學(Microelectronics)–以電荷為基礎的電子學。 磁性半導體—自旋電子學(Spintronics)–以自旋為基礎的電子學。 目前由於自旋電子學興起，很重要的議題就是如何將磁性的效能與半導體元件功能相結合的磁電子學，它包含了自旋注入、傳輸以及偵測。科學家開始研究、思考將自旋電子學理論用在半導體中，在研究半導體中載流子、摻雜磁性原子以及原子核等自旋極化性質的基礎上，通過對電子自旋態的產生、注入以及輸運的控制，半導體將展示許多新穎的功能。

在2006年美國愛荷華大學、伊利諾大學香檳分校及普林斯頓大學的科學家最近利用掃描穿隧式電子顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)，將錳原子隨意置放在砷化鎵(GaAs)半導體上， 摻雜的Mn離子取代部分的Ga陽離子，除了提供Mn本身的磁矩外，亦提供電洞載子(為鐵磁性產生的媒介)。以這種方式製作出來的磁性半導體材料可以應用於自旋電子元件，所製造出的晶片同時具有操縱與儲存資料的功能。

目前應用方面將朝兩個方向發展：
1. 一個是半導體磁電子學 它是利用磁性半導體材料或者磁性/半導體的複合材料，將磁性引入到半導體中來，由此可以研製光學隔離器、磁感測器以及非揮發性記憶體等新的半導體器件，而且這些都可以集成到其他半導體器件和電路中；如果將光學、磁學和電學性質結合起來，還會產生自旋場效應電晶體、自旋發光二極體以及自旋共振穿隧器件等全新的多功能自旋器件

2. 半導體量子自旋電子學 是利用電子自旋的量子力學特性。比如說，許多非磁性半導體中的自旋相對於電子極化有比較長的相干時間，並且可以被光場或電場控制，所以在一個量子力學系統中自旋控制很容易實現。這種性質可以促進新的固體量子資訊處理器件的發展，如、調製器、加密/解碼器以及量子比特等等。 與傳統的半導體器件相比，自旋電子器件具有穩定性好、數據處理速度更快、降低功率損耗以及集成密度高等優點，且由理論預測以及實驗顯示可符合居禮溫度達室溫的操作條件，因此非常適合作為新一代多功能自旋電子元件的材料。