張?jiān)汽?楊建國,朱自強(qiáng),周小東,巫洪章,譚明秋

稀磁半導(dǎo)體(DMS)是指利用3d族過渡金屬或者4f族稀土金屬的磁性離子取代Ⅱ-Ⅳ族、Ⅳ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族等半導(dǎo)體中的部分帶正電的離子而形成的新型半導(dǎo)體材料,如Zn1xMnxSe,Sn1-xMnxTe,Zn1-xMnxO等.稀磁半導(dǎo)體因兼有半導(dǎo)體及金屬共同特性使其在電子器件和磁性方面有著很廣泛的應(yīng)用[1,2],因此,無論從理論還是應(yīng)用上研究稀磁半導(dǎo)體都有重要的意義,稀磁半導(dǎo)體已成為近年來研究的熱點(diǎn)[37].Ga As是一種重要的半導(dǎo)體材料,禁帶寬度(能隙)1.4 e V與太陽光譜匹配好,具有熔點(diǎn)較高(1 238℃),耐高溫等較好特性使其在電池、半絕緣高阻材料、集成電路襯底、探測(cè)器等方面有著廣泛應(yīng)用.1996年,Ohno H等用低溫分子束外延(LT-MBE)方法研究制備出基于Ⅲ-Ⅴ族化合物Ga As新型稀磁半導(dǎo)體化合物Ga1-xMnxAs(Mn組分x在0.015～0.07范圍)[8],(Ga,Mn)As的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著稀磁磁性半導(dǎo)體的新時(shí)代.(Ga,Mn)As因既具有Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體Ga As的特性,又具備鐵磁化合物的特點(diǎn),并與Ⅲ-Ⅴ族異質(zhì)結(jié)技術(shù)有_很好的兼容性使其具有獨(dú)特吸引力,因此,最近涌現(xiàn)出了人們對(duì)于(Ga,Mn)As稀磁導(dǎo)體的研究涌現(xiàn)出熱潮[810].人們對(duì)Mn摻雜Ga As稀磁半導(dǎo)體材料的制備、結(jié)構(gòu)、和磁性做了大量實(shí)驗(yàn)研究[11-19],然而有關(guān)Ga1-xMnxAs的理論研究相對(duì)較少,本文采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理對(duì)Mn摻雜Ga As稀磁半導(dǎo)體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、磁序特點(diǎn)、及電子結(jié)構(gòu)研究,發(fā)現(xiàn)Mn摻雜Ga As體系的穩(wěn)定構(gòu)型,為得到Ga1-xMnxAs穩(wěn)定構(gòu)型、磁性來源、解釋Mn摻雜Ga As體系導(dǎo)致其具有稀磁半導(dǎo)體特性的原因,為進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究提供理論引導(dǎo),并可基于此探求了其應(yīng)用前景.

1 結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算方法

1.1 結(jié)構(gòu)模型

Ga As的晶體結(jié)構(gòu)如圖1,這個(gè)化合物的空間群是F-43M(No.216).實(shí)驗(yàn)上的晶格常數(shù)是a=b=c=5.763 09?,每個(gè)晶胞模型中含有4個(gè)Ga原子和4個(gè)As原子.為了構(gòu)造實(shí)驗(yàn)上Mn摻雜Ga As體系的摻雜濃度[8](0.015～0.07)范圍內(nèi)的摻雜體系Ga1xMnxAs,基于Ga As構(gòu)造了2×2×2的超晶胞,如圖2,其中兩個(gè)Ga原子被Mn原子取代,得到摻雜濃度為2/32,相當(dāng)于實(shí)際取Mn摻雜濃度為6.25%.通過將圖2中的上下面和左右面上的Mn原子分別取相同的磁序取向、相反的磁序取向及不考慮其磁性的情況下得到Ga1xMnxAs(x=0.0625)的鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)、順磁(NM)三種不同的構(gòu)型.

圖1 Ga As的晶體結(jié)構(gòu)

圖2 Ga1x Mn x As的晶體結(jié)構(gòu)(x=0.0625)

1.2 計(jì)算方法

關(guān)于Ga1xMnxAs(x=0,0.0625)體系的電子結(jié)構(gòu)域磁性特征的計(jì)算采用的是VASP計(jì)算模擬程序包[20],電子間的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)是來自該程序包基于投影綴加平面波[21]的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)勢(shì)[22].Ga1xMnxAs體系中的Ga,Mn,As的價(jià)電子分別取4s24p1,3d64s1和4s24p3.整個(gè)工作中平面波截?cái)嗄苋?50 e V.K點(diǎn)是通過使Monkhorst軟件來自動(dòng)得到的[23].計(jì)算中的K點(diǎn)分別取11×11×11,5×5×5的Monkhorse-Pack網(wǎng)格來優(yōu)化圖1和圖2晶胞和超晶胞模型,總能量差小于105e V時(shí)自洽循環(huán)計(jì)算停止,而對(duì)于電子結(jié)構(gòu)特性相應(yīng)的計(jì)算Monkhorst-Pack網(wǎng)格取優(yōu)化時(shí)的兩倍.

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 Ga As的電子結(jié)構(gòu)

首先計(jì)算研究了純的GaAs晶體的電子結(jié)構(gòu),包括總體的態(tài)密度和各元素的分態(tài)密度如圖3.從圖3可以看出純凈的Ga As晶體的總的態(tài)密度圖特點(diǎn).計(jì)算結(jié)果表明,由于純凈的GaAs是無磁性的,其電子結(jié)構(gòu)是上下對(duì)稱的,因此可以不研究磁性,只畫出其自旋向上的分波態(tài)密度.Ga As總的態(tài)密度顯示出半導(dǎo)體特性(費(fèi)米面附近態(tài)密度在能量區(qū)間段內(nèi)存在零值),帶隙約為1.0 e V(費(fèi)米面(EF)附近態(tài)密度為零的能量間隔范圍),分波態(tài)密度可以顯示Ga以As的態(tài)密度峰值幾乎完全對(duì)應(yīng),表明Ga和As之間的軌道雜化明顯,主要體現(xiàn)共價(jià)鍵特征.在-5 e V到-2.5 e V,As的態(tài)密度與Ga的態(tài)密度基本相同,在-2.5 eV到0 eV,As的態(tài)密度大于Ga的態(tài)密度,電子傾向于As離子排布.在0 eV到5 e V內(nèi),Ga的態(tài)密度大于As的態(tài)密度,說明Ga的未占據(jù)態(tài)較多.

圖3 Ga As的電子結(jié)構(gòu)圖

2.2 Mn摻雜GaAs的穩(wěn)定構(gòu)型、磁性來源

首先針對(duì)圖2中的上下面和左右面上的Mn原子分別取相同磁序取向、相反磁序取向及不考慮其磁性情況得到Ga1-xMnxAs(x=0.0625)的鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)、順磁(NM)三種不同的構(gòu)型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,基于優(yōu)化后的結(jié)果計(jì)算了三種構(gòu)型下的能量,表1給出了Ga1xMnxAs(x=0.0625)體系在不同構(gòu)型下的能量.

表1 _Ga1-x Mn x As(x=0.0625)在不同構(gòu)型下的能量__

由于物質(zhì)本身能量越低,其鍵能越大,破壞這種物質(zhì)所需要的能量就越多,所以越難破壞,也就是物質(zhì)穩(wěn)定.在數(shù)據(jù)中比較可知,FM構(gòu)型(摻雜的Mn原子磁序一致)的能量是最低的,因此FM構(gòu)型是最穩(wěn)定的構(gòu)型.在磁性方面,通過研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于構(gòu)建的Ga1xMnxAs(x=0.0625)晶體模型的總磁矩為8.000 7μB,而一個(gè)Mn原子的磁矩為3.702μB,在模型圖2中一個(gè)晶包中含有2個(gè)Mn原子,所以Mn的磁矩為3.702×2=7.404μB,計(jì)算結(jié)果表明Mn摻雜的Ga As晶體的磁性主要來自于Mn元素.

2.3 Mn摻雜GaAs的電子結(jié)構(gòu)

為了研究Mn摻雜Ga As體系對(duì)其電子結(jié)構(gòu)特性的影響,基于Ga1-xMnxAs(x=0.0625)體系的穩(wěn)定構(gòu)型基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算研究Ga1xMnxAs(x=0.0625)體系的電子結(jié)構(gòu),為了和純的Ga As作對(duì)比,圖4給出了其總的態(tài)密度、各元素的分態(tài)密度,由于Ga1xMnxAs(x=0.0625)體系的磁性主要來源于Mn原子,圖5進(jìn)一步從Mn的分波態(tài)密度研究、分析并解釋了其磁性主要來源.

圖4 Ga1x Mn x As(x=0.0625)的電子結(jié)構(gòu)圖

圖5 Ga1x Mn x As(x=0.0625)體系中Mn的分波態(tài)密度圖

從圖4可以看出Mn摻雜的Ga As晶體態(tài)密度在-5～5 e V能量范圍內(nèi)總態(tài)密度和原子分態(tài)密度已不具有對(duì)稱性,自旋向上的態(tài)密度在費(fèi)米面(EF)上不為零,即自旋向上的態(tài)顯示金屬特性,自旋向下的態(tài)密度顯示出半導(dǎo)體性質(zhì),因此計(jì)算結(jié)果表明Ga1xMnxAs(x=0.0625)具有稀磁半導(dǎo)體特性.進(jìn)一步分析圖4可以看出Mn原子分態(tài)密度最不具有對(duì)稱性,因而從Ga1xMnxAs(x=0.0625)的原子分態(tài)密度同樣可以得出Ga1-xMnxAs(x=0.0625)體系的磁性主要來源于Mn原子.為了明確對(duì)于Mn原子的磁性主要來自哪個(gè)電子軌道,圖5給出了Mn原子的總的態(tài)密度及s,p,d軌道的各分波態(tài)密度,從圖5可以看出在-5～5e V能量范圍內(nèi)Mn的總電子態(tài)密度幾乎完全來源于3d軌道,且不對(duì)稱性較強(qiáng),可以看出Mn原子的磁性主要來源于Mn原子的3d軌道電子的貢獻(xiàn).

2.4 Mn摻雜Ga As稀磁半導(dǎo)體的應(yīng)用前景

Mn摻雜Ga As稀磁半導(dǎo)體是半導(dǎo)體學(xué)與磁學(xué)相結(jié)合發(fā)展的產(chǎn)物,它的制備使非磁性半導(dǎo)體磁性化,使人們對(duì)半導(dǎo)體中的電子電荷與電子自旋的研究相結(jié)合,為開辟半導(dǎo)體技術(shù)新領(lǐng)域以及制備新型電子器件提供了有利的條件.

當(dāng)前對(duì)于Mn摻雜的Ga As稀磁半導(dǎo)體的研究尚處于起步階段,但已經(jīng)展示出其廣闊的應(yīng)用前景.主要體現(xiàn)在Mn摻雜Ga As稀磁半導(dǎo)體材料可以將磁性金屬與半導(dǎo)體相連接,用來作為兩者間的界面層,實(shí)現(xiàn)自旋極化的載流子往非磁性半導(dǎo)體中的注入,為研究非磁性半導(dǎo)體中的載流子自旋奠定了基礎(chǔ).另一方面Mn摻雜的Ga As稀磁半導(dǎo)體材料把半導(dǎo)體異質(zhì)與鐵磁性相聯(lián)系,將產(chǎn)生新型電子器件.目前研究發(fā)現(xiàn)這種完全由半導(dǎo)體構(gòu)成的磁性層表現(xiàn)出磁阻現(xiàn)象,可能具有磁性存儲(chǔ)和記憶功能.同時(shí),半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體集成.

Mn摻雜的GaAs稀磁半導(dǎo)體材料出現(xiàn)不久,但它的發(fā)展迅速.人們的研究主要集中在基礎(chǔ)方面,目前正轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)研究和應(yīng)用相結(jié)合的方面.今后的工作將繼續(xù)深入對(duì)Mn摻雜的GaAs稀磁半導(dǎo)體材料特性的研究,并應(yīng)用到實(shí)踐中去.

3 結(jié)束語

本文基于密度泛函(DFT)理論框架下的第一性原理計(jì)算研究了 Mn摻雜GaAs體系.首先,通過計(jì)算得到了純的Ga As晶體的半導(dǎo)體性質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn);其次,通過比較不同構(gòu)型下Mn摻雜Ga As晶體的能量得到了Mn摻雜Ga As體系的穩(wěn)定構(gòu)型,基于穩(wěn)定構(gòu)型計(jì)算得到Mn摻雜Ga As稀磁半導(dǎo)體磁性主要來自Mn原子;最后,研究了穩(wěn)定構(gòu)型下Mn摻雜Ga As體系電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)其稀磁半導(dǎo)體特性,基于此分析闡述了Mn摻雜的Ga As稀磁半導(dǎo)體的應(yīng)用前景,此結(jié)果為相關(guān)稀磁半導(dǎo)體材料研究提供一定的引導(dǎo)和幫助.

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