稀磁性半导体是指非磁性半导体中的部分原子被过渡金属元素取代后形成的磁性半导体，因兼具有半导体和磁性的性质，即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起广泛关注，尚处于研究阶段。

稀磁半导体是指过渡金属元素取代非磁性半导体中的部分原子后所形成的磁性半导体，因此它既有半导体性质又有磁性的性质，所以在同种材料中可以应用电子电荷和自旋两种自由度，因而引起科研工作者的广泛关注，尚处于研究阶段。

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纤锌矿型结构。

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。

半磁半导体是研究顺磁—自旋玻璃—反铁磁态及固体中的无序体系、团簇玻璃 态和混磁态的优良材料，主要应用于各类光电器件。

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性半导体，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。

分子束外延法

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 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、 、、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)，: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。

从根本上说主要是由于自旋电子之间的交换作用使得磁性半导体具有磁性。经常用于解释磁性半导体的磁性起源的交换作用模型有描述绝缘体中磁性的直接交换作用和超交换作用、载流子媒介交换作用和描述部分氧化物中掺杂磁性的束缚磁极化子模型。

传统铁磁金属之间的铁磁耦合用直接交换作用机制来描述，而金属氧化物、硫化物、氟族化合物以及铁氧体中的反铁磁性或亚铁磁性则用超交换作用机制来描述。

超交换作用又可以称作间接交换作用，其特点就是磁性原子间的相互作用是通过中间的阴离子间接完成的。超交换作用的哈密顿量可以通过海森堡模型来描述，此时的交换积分符号取决于金属氧化物的键角和过渡金属的d 电子组态。

通常来说，如果磁性金属离子3d 轨道态的电子数达到或超过半满，那么由它构成的离子性化合物呈反铁磁性；如果磁性金属离子3d 轨道态的电子数不到半满，那么由它构成的离子性化合物呈铁磁性；但是否具有铁磁性还需考虑金属氧化物的键角和过渡金属的d 电子的组态。

研究磁性半导体类材料的常用方法是第一性原理计算。常用的有密度泛函理论赝势平面波方法、基于格林函数方法和基于原子轨道线性组合方法等。铁磁性半导体的居里温度也有很多种理论计算方法。

如统计力学贝斯－皮埃尔斯方法和蒙特卡罗方法；外斯分子场近似方法；贝特派厄耳外斯近似方法；高温展开法；格林函数方法等。这些方法适用的范围不同，比如高温展开的方法适用于居里温度附近；而外斯分子场近似和格林函数的方法适用于较宽温度范围；统计力学方法是从动力学着眼研究居里温度。其中外斯分子场近似方法简单易行，常常用来估计居里温度的大致范围。不足之处是这种方法得到的居里温度常常高于实际温度。

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。