文黎巍，葉金琴

(河南工程學院 理學院，河南 鄭州451191)

稀磁半導體(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-VI族、Ⅲ-Ⅴ族等半導體中的部分帶正電的離子而形成的新型半導體材料，如Zn1-xMnxSe，Sn1-xMnxTe，Zn1-xMnxO等.稀磁半導體因兼有半導體與鐵磁的共同特性使其在電子器件和磁性方面有著很廣泛的應用［1-2］.因此，稀磁半導體已成為近年來研究的熱點［3-7］.GaAs是一種重要的半導體材料，禁帶寬度(能隙)1.4 eV，與太陽光譜匹配好，具有熔點較高(1 238℃)、耐高溫等特性，在電池、半絕緣高阻材料、集成電路襯底及探測器等方面有著廣泛應用.Mn摻雜的(Ga，Mn)As既具有Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體GaAs的特性，又具備鐵磁化合物的特點并與Ⅲ-Ⅴ族異質結器件制備技術有很好的兼容性，所以最近涌現(xiàn)了對于(Ga，Mn)As稀磁導體研究的熱潮［8-10］.人們對Mn摻雜GaAs稀磁半導體材料的制備、結構和磁性做了大量實驗研究［11-19］，然而有關Ga1-xMnxAs的理論研究相對較少.本課題采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法研究了Mn摻雜GaAs稀磁半導體的穩(wěn)定磁結構及電子結構，發(fā)現(xiàn)Mn摻雜GaAs體系的確具有磁性，解釋了導致其具有稀磁半導體特性的原因.

1 結構模型和計算方法

1.1 結構模型

GaAs的晶體結構見圖1，這個化合物的空間群是F-43M(No.216).實驗上的晶格常數(shù)是a=b=c=5.653 3A。，每個晶胞模型中含有4個Ga原子和4個As原子.為了構造在實驗上已觀察到的Mn摻雜濃度為0.005～0.08的摻雜體系Ga1-xMnxAs，基于GaAs構造了2×2×2的超晶胞，見圖2.

圖1 GaAs的晶體結構Fig.1 Crystal structure of GaAs

圖2 Ga1-x M n x As的晶體結構(x=0.625)Fig.2 Crystal structure of Ga1-x M n x As(x=0.625)

其中，兩個Ga原子被Mn原子取代，得到摻雜濃度為2/32，相當于實際取的Mn摻雜濃度為6.25%.將圖2中的上下面和左右面的Mn原子分別取相同的磁序取向與相反的磁序取向，在不考慮其磁性的情況下得到了Ga1-xMnxAs(x=0.625)的鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)與順磁(NM)3種不同的磁構型.

1.2 計算方法

關于Ga1-xMnxAs(x=0，0.625)體系的電子結構域磁性特征的計算采用的是VASP計算模擬程序包［20］，電子間的交換關聯(lián)勢選用的是基于投影綴加平面波的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)勢.Ga1-xMnxAs體系中Ga，Mn，As的價電子分別取4s24p1，3d64s1和4s24p3.整個計算中，平面波截斷能取350 eV.K點采用Monkhorst方法自動取得，計算中的K點分別取11×11×11，5×5×5的Monkhorst-Pack網(wǎng)格來優(yōu)化圖1和圖2中的晶胞和超晶胞模型，當總能量差小于10-5eV時自洽循環(huán)計算停止，而對于電子結構特性相應的計算Monkhorst-Pack網(wǎng)格取優(yōu)化時的兩倍.

2 結果與討論

2.1 GaAs的電子結構

計算研究了無摻雜的GaAs晶體的電子結構，包括總體的態(tài)密度和各元素的分態(tài)密度，見圖3.從圖3可以看出，純凈的GaAs晶體總的態(tài)密度圖特點.計算結果表明，由于純凈的GaAs是無磁性的，其電子結構中自旋向上和自旋向下是對稱的，故可以不研究磁性，只畫出其自旋向上的態(tài)密度.GaAs總的態(tài)密度顯示出半導體特性，帶隙約為1.0 eV，分波態(tài)密度可以顯示Ga與As的態(tài)密度峰值幾乎完全對應，表明Ga和As之間的軌道雜化明顯，主要體現(xiàn)共價鍵特征.在-5～-2.5 eV，As的態(tài)密度與Ga的態(tài)密度基本相同;在-2.5～0 eV，As的態(tài)密度大于Ga的態(tài)密度，表明As的電子數(shù)目要比Ga多;在0～5 eV，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 GaAs的電子結構Fig.3 Electronic structure of GaAs

2.2 M n摻雜GaAs的結構

針對圖2中摻雜的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=0.625)的鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)和順磁(NM)3種不同的構型并進行了結構優(yōu)化.基于優(yōu)化后的結果計算了3種構型下的能量，表1給出了Ga1-xMnxAs(x=0.625)體系在不同磁構型下的能量.

由于物質本身能量越低、鍵能越大，破壞這種物質所需要的能量就越多，也就是物質穩(wěn)定.由表1中數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)M構型(摻雜的Mn原子磁序一致)的能量是最低的，所以FM構型是最穩(wěn)定的磁構型，即摻Mn為6.25%的GaAs具有磁性.

表1 Ga1-x M n x As(x=0.625)在不同磁構型下的能量Tab.1 Energy of differentmagnetic configuration of Ga1-x M n x As(x=0.625)

圖4 Ga1-x M n x As(x=0.625)的態(tài)密度Fig.4 Density of states of Ga1-x M n x As(x=0.625)

為了研究Mn摻雜GaAs體系對其半導體特性的影響，在Ga1-xMnxAs(x=0.625)體系的穩(wěn)定構型基礎上進一步研究了其電子結構.為了和GaAs對比，圖4同樣給出了其總的態(tài)密度和各元素的分態(tài)密度，圖中上下兩部分分別對應自旋向上和自旋向下的態(tài)密度.從圖4可以看出，Mn摻雜的GaAs晶體態(tài)密度在-5～5 eV，總態(tài)密度和原子分態(tài)密度已不具有對稱性，自旋向上的態(tài)密度在費米面(EF)上不為0，自旋向下的態(tài)密度在費米面仍然為0，系統(tǒng)能隙只有0.1 eV左右，所以Ga1-xMnxAs(x=0.625)具有稀磁半導體特性.進一步分析圖4可以看出，Mn原子態(tài)密度自旋向上部分在-3 eV左右具有峰值，而自旋向下部分幾乎為0，表現(xiàn)出較強磁性.從Ga1-xMnxAs(x=0.625)的原子分態(tài)密度可以得出Ga1-xMnxAs(x=0.625)體系的磁性主要來源于Mn原子.As原子的態(tài)密度在-0.1～0.5 eV能量區(qū)間內也不對稱，只有自旋向上部分而沒有自旋向下部分，表明As與Mn有較強的雜化作用，也被部分磁化.

3 結語

用基于密度泛函理論框架下的第一性原理方法研究了Mn摻雜GaAs體系.首先，構造了Mn摻雜GaAs體系的不同磁結構，通過比較不同磁構型下體系的能量得到系統(tǒng)具有鐵磁性質;然后，研究了鐵磁構型下Mn摻雜GaAs體系的態(tài)密度仍具有較小能隙，發(fā)現(xiàn)其稀磁半導體特性，并分析其磁性主要來自Mn原子，研究結果可為稀磁半導體材料的研究提供一定參考.

［1］Ohno H.Making nonmagnetic semiconductors ferromagnetic［J］.Science，1998(281):951.

［2］Wolf SA，Awschalom D D，Buhrman R A，et al.Spintronics:a spin-based electronics vision for the future［J］.Science，2001(294):1488.

［3］Dietl T.A ten-year perspective on diluted magnetic semiconductors and oxides［J］.Nature Mater，2010(9):965.

［4］Marques M，F(xiàn)erreira L G，Teles L K，et al.Magnetic properties of GaN/MnxGa1-xN digital hetero structures:first-principles and Monte Carlo calculations［J］.Physical Review B，2006(73):224409.

［5］Liu C，Yun F，Morkoc H.Ferromagnetism of ZnO and GaN:a review［J］.Journal ofMaterials Science:Materials in Electronics，2005(16):555.

［6］Sasaki T，Sonoda S，Yamamoto Y，et al.Magnetic and transport characteristics on high Curie temperature ferromagnet of Mndoped GaN［J］.Journal of Applied physics，2002(91):7911.

［7］Sato K，Bergqvist L，Kudrnovsky J，et al.First-principles theory of diluted semiconductors［J］.Review of Modern Physics，2010(82):1633.

［8］羅佳，向鋼.(Ga，Mn)As磁電輸運性質的研究進展［J］.材料導報，2014，28(3):1-7.

［9］侯志青，劉東州.稀磁半導體制備方法的研究進展［J］.半導體技術，2014(4):294-299.

［10］Bouravleuv A D，Sibirev N V，Gilstein EP，etal.Study of the electrical properties of individual(Ga，Mn)As nanowires［J］.Semiconductors，2014，48(3):344-349.

［11］郭旭光，陳效雙.(Ga，Mn)As體系中Mn無序對其電子結構及磁性影響的第一性原理研究［J］.物理學報，2004(5):1516-1519.

［12］陳余，關玉琴.3d過渡金屬摻雜GaAs的居里溫度研究［J］.內蒙古工業(yè)大學學報:自然科學版，2009(3):188-192.

［13］藺何，段海明.GaAs摻雜3d過渡族金屬材料的局域電子結構和磁性［J］.中國科學(G輯:物理學力學天文學)，2008，38(5):513-522.

［14］陳啟燊，雷天民.GaAs第一性原理研究［J］.電子科技，2009，22(4):69-71.

［15］關玉琴，陳余，趙春旺.Mn和Cr共摻雜對GaAs居里溫度的影響［J］.功能材料，2010，41(S1):94-96.

［16］劉芳芳，楊瑞霞.半磁半導體材(Ga，Mn)As［J］.河北工業(yè)大學學報:自然科學版，2002，31(6):35-42.

［17］劉力鋒，楊瑞霞，郭惠.基于GaAs的新型稀磁半導體材料(Ga，Mn)As［J］.半導體情報，2001，38(6):25-30.

［18］姬長建，張成強，馮素華，等.稀磁半導體(Ga，Mn)As的物理性質研究［J］.山東教育學院學報，2010，142(6):21-24.

［19］陳余，關玉琴，趙春旺.稀磁半導體材料居里溫度的極值點［J］.發(fā)光學報，2009，30(5):702-705.

［20］Kresse G，F(xiàn)urthmüller J.Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set［J］.Physical Review，1996(54):11169.