寬頻隙半導體材料有哪些

① 的悖論啊!---書上說：ZnO是直接帶隙氧化物半導體，具有寬的帶隙（3.3eV）。既然是直接帶隙，哪來的寬頻隙

直接帶隙不是指沒有帶隙，而是指載流子不容易在能帶間跳躍。

② 急求資料！！關於氧化鋅的半導體材料！！

半導體材料：氧化鋅半導瓷 化學式：ZnO

基本概況：ZnO(氧化鋅)是一種新型的化合物半導體材料Ⅱ一Ⅵ寬禁帶(E =3．37eV)。在常溫常壓下其是一種非常典型的直接寬禁半導體材料，穩定相是六方纖鋅礦結構，其禁帶寬度所對應紫外光波長，有希望能夠開發出藍綠光、藍光、紫外光等等多種發光器件。
氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優異的常溫發光性能，在半導體領域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發光二極體等產品中均有應用。此外，微顆粒的氧化鋅作為一種納米材料也開始在相關領域發揮作用。

晶體數據：
針狀體根部直徑 (µm) 0.1～10
比熱 (J/g·k) 5.52
耐熱性能 (℃)
1720(升華）
真實密度 (g/cm3) 5.8
表觀密度 (g/cm3) 0.01～0.5
粉體電阻率 (Ω·cm) 104～109
介電常數 (實部) 4.5～30
介電常數 (虛部) 20～135
拉伸強度 (MPa) 1.2×104
彈性模量 (MPa) 3.5×105
熱膨脹率 (％/℃) 4×106

氧化鋅空間結構 電鏡下的氧化鋅半導體材料

制備方法：純氧化鋅是煅燒鋅礦石或在空氣中燃燒鋅條而得。氧化鋅結晶是六角晶系，晶格常數α=3.25×10-10m，c=5.20×10-10m。室溫下滿足化學計量比關系的氧化鋅晶體或多晶體中導電載流子極少，具有絕緣體的性能。在空氣中經高溫處理後，將會因氧的過剩或不足而成為偏離化學計量比關系的不完整晶體，即含有氧缺位或氧填隙鋅的非化學計量比結晶，使自由電子或空穴大大增多，氧化鋅由白色絕緣體變成青黑色半導體。當在氧化鋅中加入適量的其他氧化物或鹽類,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作為添加劑，按一般的陶瓷工藝成型燒結，可以製得氧化鋅半導瓷。

理論模型:六方纖鋅礦結構是理想的氧化鋅，對稱性C6v-4、屬於P63mc空間群，品格常數C=O．521 nm，Y=120 ，a=b=O．325 nm，α=β= 90。。其中c／a較理想的六角柱緊堆積結構的1．633稍小為1．602。其它方向的氧ZnO鍵長為O．197 nm，只有c軸方向為0．199 nm，其晶胞由鋅的六角密堆積與氧的六角密堆積反向套夠而成。本文所有的及孫模型都是以超晶胞為基礎的模型。我們可以看出，在氧化鋅中的配位體是一個三角錐，錐頂原子和中心原子的鍵長與錐面三個原子的鍵長相比要稍大，其棱長小於底面邊長。所以，ZnO 四面體為晶體中02-一配位多面體，O2-與Zn 配位情況基本相同。

計算結果：利用實驗晶格參數對理想的ZnO晶體的電子結構進行了計算。其中包括總體態密度，能帶結構，分波態密度。圖3，圖4，圖5為計算結果。用其他理論方法計算的結果與本文計算結果相符合。我們可以從圖3，圖4，圖5中看出，基本上，ZnO的價帶可分為兩個區域，分別是-4．0～0 eV的上價帶區以及一6．0～L4．0 eV的下價帶。很顯然，ZnO下價帶區則主要是Zn3d態貢獻的，而上價帶區則主要是由02p態形成的。在一18 eV處由02s態貢獻的價帶部分，與其他兩個價帶由於之間的相互作用相對較弱，本文不做相關討論。對於主要來源干Zn4s態貢獻的導帶部分，從Zn4s態到02p態電子具有明顯的躍遷過程，氧位置處的局域態密度的引力中心受到影響向低能級方向移動，這就表明了，理想ZnO是一個共價鍵較弱，離子性較強的混合鍵金屬氧化物半導體材料。

組成：這種半導瓷由半導電的氧化鋅晶粒及添加劑成分構成的晶粒間層所組成，其理想結構模型如圖。由於每一個氧化鋅晶粒和晶粒間層之間都能形成一個接觸區，具有一般半導體接觸的單向導電性，所以兩個晶粒間存在兩個相反位置的整流結，一塊氧化鋅半導瓷片是大量相反放置的整流結組的堆積。

圖6：氧化鋅半導瓷空間結構

氧化鋅半導瓷的伏安特性：當外加電壓於這種材料時，低電壓下，由於反偏整流結的阻擋作用，材料呈高阻狀態，具有絕緣性能。當電壓高達一定值時，整流結發生擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導電材料，可以通過相當大密度的電流。

圖7：氧化鋅半導體瓷的伏安特性

作用：氧化鋅半導瓷的非線性電壓電流關系。利用這種對稱的非線性伏安特性可以製成各種電壓限幅器、能量吸收裝置等，如電力系統的過電壓保護裝置，特別是由於這類材料低電壓下的電阻率高，因而在長期工作電壓下漏電流小、發熱小，可以做成不帶火花間隙的高壓避雷器；而高電壓下電阻低、殘壓小，能把過電壓限制在更低的水平上，使電網和電工設備的絕緣水平有可能降低，特別是在超高壓電網，這一點更為重要。

拓展：稀磁半導體材料（Diluted magnetic semiconctors，DMS）
稀釋磁性半導體簡稱稀磁半導體(Diluted Magneticsemi Conctors,DMS),是利用3d族過渡金屬或4f族稀土金屬的磁性離子替代Ⅱ2Ⅵ族、Ⅳ2Ⅵ族、Ⅱ2Ⅴ族或Ⅲ2Ⅴ族等化合物半導體中的部分非磁性陽離子而形成的新型半導體材料,又可稱為半磁半導體(Semi Magnetic Semi Conctors,SMSC)材料或半導體自旋電子材料。之所以稱為稀磁半導體是由於相對於普通的磁性材料,其磁性元素的含量較少。這類材料由於陽離子替代而存在局域磁性順磁離子,具有很強的局域自旋磁矩。局域順磁離子與遷移載流子(電子或空穴)之間的自旋2自旋相互作用結果產生一種新的交換相互作用,使得稀磁半導體具有很多與普通半導體截然不同的特殊性質,如磁性、顯著的磁光效應和磁輸運性質。稀磁半導體能利用電子的電荷特性和自旋特性,即兼具半導體材料和磁性材料的雙重特性。它將半導體的信息處理與磁性材料的信息存儲功能、半導體材料的優點和磁性材料的非易失性兩者融合在一起,這種材料研製成功將是材料領域的革命性進展。同時,稀磁半導體在磁性物理學和半導體物理學之間架起了一道橋梁。
ZnO作為一種寬頻隙半導體,激子束縛能較高(60meV),具有溫度穩定性好、光透過率高、化學性能穩定,原料豐富易得、價格低廉等優點,並且過渡金屬離子易於摻雜,可制備性能良好的稀磁半導體,因而成為目前稀磁半導體材料的研究熱點。

國內研究以及原理：近年來，由於1i摻雜的Zn()材料可能同時具有鐵電性和鐵磁性，國內很多研究者都對它進行了研究。南京大學的宋海岸等制備了Ni、I』i共摻的ZnO薄膜，發現由於Li摻雜引入了空穴，使鐵磁性減弱 ]。北京航空航天大學的李建軍等制備了I Co共摻的ZnO納米顆粒，實驗發現，當摻雜濃度少於9 時體系的鐵磁性會增強，其原因是摻入後形成了填隙原子，電子濃度明顯增加，使得束縛磁極子濃度增加，且磁極子之間容易發生重疊，最終導致鐵磁耦合作用增強。武漢大學的C W Zou等制備了Mn、Li共摻雜的ZnO薄膜，研究了不同Mn摻雜濃度的ZnO樣品。但這些研究中對Li、Mn共摻雜ZnO陶瓷的磁性研究並不常見。

應用現狀與前景展望
(1)改變組分獲得所需的光譜效應
通過改變磁性離子的濃度可得到所需要的帶隙,從而獲得相應的光譜效應。由於其響應波長可覆蓋從紫外線到遠紅外線的寬范圍波段,這種DMS是制備光電器件、光探測器和磁光器件的理想材料。在Ⅲ2Ⅴ族寬頻隙稀磁半導體GaN中摻入不同的稀土磁性元素可發出從可見光到紅外的不同波長的光,加上GaN本身可發紫外光,因此摻稀土GaN材料可發出從紫外到紅外波段的光,如在GaN中摻Er可發綠光,而摻Pr可發紅光等。
1994年Wilson等[24]在摻Er的GaN薄膜中首次觀察到1.54
μm的紅外光熒光。1998年Steckl等採用Er原位摻雜方法首次獲得綠光發射[25],摻Er的GaN的另一個重要特性是其溫度猝滅效應很弱,這對於制備室溫發光器件非常重要。後來紅光和藍光器件相繼研製成功,這些都可以作為光通信和光電集成的光源。
(2)sp2d交換作用的應用
利用DMS的巨法拉第旋轉效應可制備非倒易光學器件,也可用於制備光調諧器、光開關和感測器件。
DMS的磁光效應為光電子技術開辟了新的途徑。利用其磁性離子和截流子自旋交換作用(sp2d作用)所引起的巨g因子效應,可制備一系列具有特殊性質的稀磁半導體超晶格和量子阱器件。這種量子阱和超晶格不僅具有普通量子阱和超晶格的電學、光學性質,而且還具有稀磁半導體的磁效應,因此器件具有很多潛在的應用價值。利用磁性和半導體性實現自旋的注入與輸運,可造出新型的自旋電子器件,如自旋過濾器和自旋電子基發光二極體等。
(3)深入研究自旋電子學,推動DMS的實用化
自旋電子學是目前固體物理和電子學中的一個熱點,其核心內容是利用和控制固體,尤其是半導體中的自旋自由度。近年來以稀磁半導體為代表的自旋電子學的研究相當活躍,各國科研機構和各大公司都投入了巨大財力和人力從事此領域的研究。利用具有磁性或自旋相關性質的DMS基材料可制出一類新型器件———既利用電子、空穴的電荷也利用它們的自旋。這些新材料和人造納米結構,包括異質結構(HS)、量子阱(QW)和顆粒結構一直是一些新型功能的「沃土」———與自旋相關的輸運、磁阻效應和磁光效應。自旋電子學可用於計算機的硬驅動,在計算機存儲器中極具潛力。在高密度非易失性存儲器、磁感應器和半導體電路的集成電路、光隔離器件和半導體激光器集成電路以及量子計算機等領域,DMS材料均有重大的潛在應用。但上述以稀磁半導體為基礎的自旋電子器件的研製尚處於起步階段,距實用化還有很長的路程。自旋電子學與自旋電子學器件研究的深入,將加深DMS機理的研究和理論的探索,推動DMS的實用化過程。
(4)室溫DMS的研究
為了應用方便,需要開發高居里溫度(Tc)的DMS材料(高於室溫)。室溫下具有磁性為磁性半導體的應用提供了可能。擴展更多的摻雜磁性元素或生長更多種類材料來提高DMS材料的居里溫度是當前的首要問題。近來Hori等成功摻入5%Mn在GaN中,獲得了高於室溫的Tc;報道表明(Zn,Co)O的居里溫度可達到290～380K[26]。Dietl等[6]採用Zener模型對閃鋅礦結構的磁半導體計算表明,GaMnN和ZnMnO具有高達室溫的居里溫度,該計算結果對實驗研究提供了很好的理論依據。但是,如何將磁性和半導體屬性有機地結合起來仍然是值得進一步研究的問題。

③ 什麼是寬頻隙半導體材料

器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成半導版體，溫度可以更高，權器件可用在石油鑽探頭上收集相關需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環境中有重要應用。廣播電台、電視台，唯一的大功率發射管還是電子管，沒有被半導體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時，體積大，且非常耗電；如果用碳化硅的高功率發射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會大大增加，所以高溫寬頻隙半導體材料是非常重要的新型半導體材料。
現在的問題是這種材料非常難生長，硅上長硅，砷化鎵上長GaAs，它可以長得很好。但是這種材料大多都沒有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長。比如說氮化鎵在藍寶石襯底上生長，藍寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數和晶格常數相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。目前科學家正在著手解決這個問題。

④ 寬頻隙半導體的p型摻雜困難的原因可能有哪些

器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成半導體，溫度可以更高，器件可用在石油鑽探頭上收集相關需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環境中有重要應用。

⑤ 寬頻隙半導體，晶體結構、能帶及器件的結構有哪些，光電特性是什麼

一般把室溫下帶隙大於2.0eV的半導體材料歸類於寬頻隙半導體。
建議你參考這篇文章「國外軍事和宇航應用寬頻隙半導體技術的發展」 ，網路文庫也有。

⑥ 請問SIC半導體與硅半導體的主要差別是什麼

    硅(Si)是研究較早的半導體材料，是第一代半導體的代表。半個多世紀以來，硅半導體技術的長足發展極大地促進了電力和電子技術的進步。尤其到了20世紀70年代，集成電路製造技術的成熟，奠定了硅在整個半導體行業中的領軍地位。目前，除了極少數微波加熱電源還使用真空電子管之外，幾乎所有的電力和電子器件都使用Si材料來製造。尤其在集成電路中，99％以上用的都是Si半導體材料。然而隨著科學的進步和半導體技術的發展，Si由於材料本身的特點在某些應用領域的局限性逐漸表現出來。例如，其帶隙較窄(～1．12eV)、載流子遷移率和擊穿電場較低等，限制了其在光電子領域以及高頻、高功率器件方面的應用L1。

   

    第三代半導體也稱為寬頻隙半導體(禁帶寬度超過2．0eV)，如金剛石、碳化硅(SiC)、Ⅲ一V族氮化物、Ⅱ一Ⅵ族Zn基化合物及其固溶體等。其中以金剛石、SiC、氮化鎵(GaN)和氧化鋅(ZnO)為第三代半導體的代表材料。寬頻隙使第三代半導體具有許多共同的性能特點，包括高熔點、高臨界擊穿電場、高熱導率、小的介電常數、大的激子束縛能、大的壓電系數以及較強的極化效應等。
  SiC電學性能

  SiC具有較高的臨界擊穿電場、高熱導率和飽和電子遷移率等特點，適合於製造大功率、高溫、高頻和抗輻射的半導體器件。SiC熱導率是si的3倍，SiC材料優良的散熱性有助於提高器件的功率密度和集成度。SiC材料形態決定其禁帶寬度的大小，但均大於si和GaAs的禁帶寬度，降低SiC器件的泄漏電流，加上SiC的耐高溫特性，使得SiC器件在高溫電子工作領域優勢明顯。因其具有高硬度和高化學穩定性等特點，使得SiC材料能勝任惡劣的工作環境。一維SiC納米材料具有較高的禁帶寬度，可由間接帶隙半導體轉變為直接帶隙半導體，高強高韌等特點；適用於製造在惡劣環境下使用的電子器件。

⑦ 什麼是寬頻隙半導體材料

寬頻隙半導體，一般把室溫下帶隙大於2.0eV的半導體材料歸類於寬頻回隙半導體，寬頻隙半答導體在藍、紫光和紫外光電子器件，高頻、高溫、高功率電子器件及場發射器件方面應用廣泛。
室溫下，Si的帶隙為1.1eV，GaAs的帶隙為1.43eV，一般把室溫下帶隙大於2.0eV的半導體材料歸類於寬頻隙半導體，寬頻隙半導體在藍、紫光和紫外光電子器件，高頻、高溫、高功率電子器件及場發射器件方面應用廣泛。

⑧ 寬頻隙半導體技術國家重點學科實驗室的介紹

寬頻隙半導體技術國家重點學科實驗室依託西安電子科技大學，是在寬禁帶半版導體材料與器件教育部權重點實驗室的基礎上，2007年國家批准建設的國家級重點實驗室，2008年實驗室成為我國國防科技創新團隊，是中國寬頻隙半導體材料與器件研究的主要基地。

⑨ 請高手介紹一下碳化硅在半導體行業內的應用，以及它的優勢特點和不足

從原始社會的石器時代到今日的信息時代,人類社會的發展史無疑也是一部材料的發展變革史。上世紀初發展起來的硅材料也應運成為當代信息產業發展的基石,而正是硅材料晶元造就了獨佔世界信息產業鰲頭的美國矽谷高科技產業集群,吸引了蘋果、英特爾、谷歌等世界頂級半導體產業巨頭聚集此處。
目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由硅材料製作。經過近百年的發展,性能優勢已得到充分發揮的硅材料逐漸無法滿足高溫、高壓、抗輻射等方面要求,半導體行業急需適應現代產業需求的新型材料。而經過100多年的認知和20多年的研發後,碳化硅材料已被業界認為是繼硅、砷化鎵之後發展最為成熟的第三代半導體材料,其優越的半導體性能遠超硅材料。
碳化硅材料可廣泛應用於電力電子器件(二極體、場效應管、換能器、馬達驅動器、輸出整流器)、射頻器件(寬頻通訊、有源相控陣雷達)、光電子器件(大功率發光二極體)等領域,與大眾生活息息相關,具有重要的戰略地位,業界廣泛認為,寬禁帶半導體碳化硅材料的發展將引領世界第三次半導體產業革命。
據統計,如果使用半導體碳化硅材料LED路燈替代高壓鈉燈,以1000支為單位,一年可節省人民幣187.98萬元;我國照明用電每年在3000億度以上,如果用半導體碳化硅LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈,可節省三分之一的照明用電,即1000億千瓦時,這也就意味著節省了相當於總投資超過2000億元人民幣的三峽工程全年的發電量。這對於能源供應緊張的我國來說,具有重要的戰略意義。根據新能源產業技術綜合開發研究機構的估算結果,到2030年,隨著半導體碳化硅材料的普及,如將內置半導體器件全部由碳化硅材料製作,與傳統的硅材料器件相比,電力損耗下降幅度最高可達47%。
綜上可見,解決未來新能源發展問題的一個重要途徑就是更為廣泛地推廣使用半導體碳化硅材料,世界正在迎來由半導體碳化硅材料引領的新時代。

⑩ 高阻的本徵半導體材料和高阻的高度補償的半導體材料的區別是什麼

半導體材料：氧化鋅半導瓷 化學式：ZnO

基本概況：ZnO(氧化鋅)是一種新型的化合物半導體材料Ⅱ一Ⅵ寬禁帶(E =3．37eV)。在常溫常壓下其是一種非常典型的直接寬禁半導體材料，穩定相是六方纖鋅礦結構，其禁帶寬度所對應紫外光波長，有希望能夠開發出藍綠光、藍光、紫外光等等多種發光器件。
氧化鋅的能帶隙和激子束縛能較大，透明度高，有優異的常溫發光性能，在半導體領域的液晶顯示器、薄膜晶體管、發光二極體等產品中均有應用。此外，微顆粒的氧化鋅作為一種納米材料也開始在相關領域發揮作用。

晶體數據：
針狀體根部直徑 (μm) 0.1～10
比熱 (J/g·k) 5.52
耐熱性能 (℃)
1720(升華）
真實密度 (g/cm3) 5.8
表觀密度 (g/cm3) 0.01～0.5
粉體電阻率 (Ω·cm) 104～109
介電常數 (實部) 4.5～30
介電常數 (虛部) 20～135
拉伸強度 (MPa) 1.2×104
彈性模量 (MPa) 3.5×105
熱膨脹率 (％/℃) 4×106

氧化鋅空間結構 電鏡下的氧化鋅半導體材料

制備方法：純氧化鋅是煅燒鋅礦石或在空氣中燃燒鋅條而得。氧化鋅結晶是六角晶系，晶格常數α=3.25×10-10m，c=5.20×10-10m。室溫下滿足化學計量比關系的氧化鋅晶體或多晶體中導電載流子極少，具有絕緣體的性能。在空氣中經高溫處理後，將會因氧的過剩或不足而成為偏離化學計量比關系的不完整晶體，即含有氧缺位或氧填隙鋅的非化學計量比結晶，使自由電子或空穴大大增多，氧化鋅由白色絕緣體變成青黑色半導體。當在氧化鋅中加入適量的其他氧化物或鹽類,如Bi2O3、Sb2O3、Co2O3、MnO、Cr2O3、Al2O3或Al(NO3)2等作為添加劑，按一般的陶瓷工藝成型燒結，可以製得氧化鋅半導瓷。

理論模型:六方纖鋅礦結構是理想的氧化鋅，對稱性C6v-4、屬於P63mc空間群，品格常數C=O．521 nm，Y=120 ，a=b=O．325 nm，α=β= 90。。其中c／a較理想的六角柱緊堆積結構的1．633稍小為1．602。其它方向的氧ZnO鍵長為O．197 nm，只有c軸方向為0．199 nm，其晶胞由鋅的六角密堆積與氧的六角密堆積反向套夠而成。本文所有的及孫模型都是以超晶胞為基礎的模型。我們可以看出，在氧化鋅中的配位體是一個三角錐，錐頂原子和中心原子的鍵長與錐面三個原子的鍵長相比要稍大，其棱長小於底面邊長。所以，ZnO 四面體為晶體中02-一配位多面體，O2-與Zn 配位情況基本相同。

計算結果：利用實驗晶格參數對理想的ZnO晶體的電子結構進行了計算。其中包括總體態密度，能帶結構，分波態密度。圖3，圖4，圖5為計算結果。用其他理論方法計算的結果與本文計算結果相符合。我們可以從圖3，圖4，圖5中看出，基本上，ZnO的價帶可分為兩個區域，分別是-4．0～0 eV的上價帶區以及一6．0～L4．0 eV的下價帶。很顯然，ZnO下價帶區則主要是Zn3d態貢獻的，而上價帶區則主要是由02p態形成的。在一18 eV處由02s態貢獻的價帶部分，與其他兩個價帶由於之間的相互作用相對較弱，本文不做相關討論。對於主要來源干Zn4s態貢獻的導帶部分，從Zn4s態到02p態電子具有明顯的躍遷過程，氧位置處的局域態密度的引力中心受到影響向低能級方向移動，這就表明了，理想ZnO是一個共價鍵較弱，離子性較強的混合鍵金屬氧化物半導體材料。

組成：這種半導瓷由半導電的氧化鋅晶粒及添加劑成分構成的晶粒間層所組成，其理想結構模型如圖。由於每一個氧化鋅晶粒和晶粒間層之間都能形成一個接觸區，具有一般半導體接觸的單向導電性，所以兩個晶粒間存在兩個相反位置的整流結，一塊氧化鋅半導瓷片是大量相反放置的整流結組的堆積。

圖6：氧化鋅半導瓷空間結構

氧化鋅半導瓷的伏安特性：當外加電壓於這種材料時，低電壓下，由於反偏整流結的阻擋作用，材料呈高阻狀態，具有絕緣性能。當電壓高達一定值時，整流結發生擊穿，材料電阻率迅速下降，成為導電材料，可以通過相當大密度的電流。

圖7：氧化鋅半導體瓷的伏安特性

作用：氧化鋅半導瓷的非線性電壓電流關系。利用這種對稱的非線性伏安特性可以製成各種電壓限幅器、能量吸收裝置等，如電力系統的過電壓保護裝置，特別是由於這類材料低電壓下的電阻率高，因而在長期工作電壓下漏電流小、發熱小，可以做成不帶火花間隙的高壓避雷器；而高電壓下電阻低、殘壓小，能把過電壓限制在更低的水平上，使電網和電工設備的絕緣水平有可能降低，特別是在超高壓電網，這一點更為重要。

拓展：稀磁半導體材料（Diluted magnetic semiconctors，DMS）
稀釋磁性半導體簡稱稀磁半導體(Diluted Magneticsemi Conctors,DMS),是利用3d族過渡金屬或4f族稀土金屬的磁性離子替代Ⅱ2Ⅵ族、Ⅳ2Ⅵ族、Ⅱ2Ⅴ族或Ⅲ2Ⅴ族等化合物半導體中的部分非磁性陽離子而形成的新型半導體材料,又可稱為半磁半導體(Semi Magnetic Semi Conctors,SMSC)材料或半導體自旋電子材料。之所以稱為稀磁半導體是由於相對於普通的磁性材料,其磁性元素的含量較少。這類材料由於陽離子替代而存在局域磁性順磁離子,具有很強的局域自旋磁矩。局域順磁離子與遷移載流子(電子或空穴)之間的自旋2自旋相互作用結果產生一種新的交換相互作用,使得稀磁半導體具有很多與普通半導體截然不同的特殊性質,如磁性、顯著的磁光效應和磁輸運性質。稀磁半導體能利用電子的電荷特性和自旋特性,即兼具半導體材料和磁性材料的雙重特性。它將半導體的信息處理與磁性材料的信息存儲功能、半導體材料的優點和磁性材料的非易失性兩者融合在一起,這種材料研製成功將是材料領域的革命性進展。同時,稀磁半導體在磁性物理學和半導體物理學之間架起了一道橋梁。
ZnO作為一種寬頻隙半導體,激子束縛能較高(60meV),具有溫度穩定性好、光透過率高、化學性能穩定,原料豐富易得、價格低廉等優點,並且過渡金屬離子易於摻雜,可制備性能良好的稀磁半導體,因而成為目前稀磁半導體材料的研究熱點。

國內研究以及原理：近年來，由於1i摻雜的Zn()材料可能同時具有鐵電性和鐵磁性，國內很多研究者都對它進行了研究。南京大學的宋海岸等制備了Ni、I』i共摻的ZnO薄膜，發現由於Li摻雜引入了空穴，使鐵磁性減弱 ]。北京航空航天大學的李建軍等制備了I Co共摻的ZnO納米顆粒，實驗發現，當摻雜濃度少於9 時體系的鐵磁性會增強，其原因是摻入後形成了填隙原子，電子濃度明顯增加，使得束縛磁極子濃度增加，且磁極子之間容易發生重疊，最終導致鐵磁耦合作用增強。武漢大學的C W Zou等制備了Mn、Li共摻雜的ZnO薄膜，研究了不同Mn摻雜濃度的ZnO樣品。但這些研究中對Li、Mn共摻雜ZnO陶瓷的磁性研究並不常見。

應用現狀與前景展望
(1)改變組分獲得所需的光譜效應
通過改變磁性離子的濃度可得到所需要的帶隙,從而獲得相應的光譜效應。由於其響應波長可覆蓋從紫外線到遠紅外線的寬范圍波段,這種DMS是制備光電器件、光探測器和磁光器件的理想材料。在Ⅲ2Ⅴ族寬頻隙稀磁半導體GaN中摻入不同的稀土磁性元素可發出從可見光到紅外的不同波長的光,加上GaN本身可發紫外光,因此摻稀土GaN材料可發出從紫外到紅外波段的光,如在GaN中摻Er可發綠光,而摻Pr可發紅光等。
1994年Wilson等[24]在摻Er的GaN薄膜中首次觀察到1.54
μm的紅外光熒光。1998年Steckl等採用Er原位摻雜方法首次獲得綠光發射[25],摻Er的GaN的另一個重要特性是其溫度猝滅效應很弱,這對於制備室溫發光器件非常重要。後來紅光和藍光器件相繼研製成功,這些都可以作為光通信和光電集成的光源。
(2)sp2d交換作用的應用
利用DMS的巨法拉第旋轉效應可制備非倒易光學器件,也可用於制備光調諧器、光開關和感測器件。
DMS的磁光效應為光電子技術開辟了新的途徑。利用其磁性離子和截流子自旋交換作用(sp2d作用)所引起的巨g因子效應,可制備一系列具有特殊性質的稀磁半導體超晶格和量子阱器件。這種量子阱和超晶格不僅具有普通量子阱和超晶格的電學、光學性質,而且還具有稀磁半導體的磁效應,因此器件具有很多潛在的應用價值。利用磁性和半導體性實現自旋的注入與輸運,可造出新型的自旋電子器件,如自旋過濾器和自旋電子基發光二極體等。
(3)深入研究自旋電子學,推動DMS的實用化
自旋電子學是目前固體物理和電子學中的一個熱點,其核心內容是利用和控制固體,尤其是半導體中的自旋自由度。近年來以稀磁半導體為代表的自旋電子學的研究相當活躍,各國科研機構和各大公司都投入了巨大財力和人力從事此領域的研究。利用具有磁性或自旋相關性質的DMS基材料可制出一類新型器件———既利用電子、空穴的電荷也利用它們的自旋。這些新材料和人造納米結構,包括異質結構(HS)、量子阱(QW)和顆粒結構一直是一些新型功能的「沃土」———與自旋相關的輸運、磁阻效應和磁光效應。自旋電子學可用於計算機的硬驅動,在計算機存儲器中極具潛力。在高密度非易失性存儲器、磁感應器和半導體電路的集成電路、光隔離器件和半導體激光器集成電路以及量子計算機等領域,DMS材料均有重大的潛在應用。但上述以稀磁半導體為基礎的自旋電子器件的研製尚處於起步階段,距實用化還有很長的路程。自旋電子學與自旋電子學器件研究的深入,將加深DMS機理的研究和理論的探索,推動DMS的實用化過程。
(4)室溫DMS的研究
為了應用方便,需要開發高居里溫度(Tc)的DMS材料(高於室溫)。室溫下具有磁性為磁性半導體的應用提供了可能。擴展更多的摻雜磁性元素或生長更多種類材料來提高DMS材料的居里溫度是當前的首要問題。近來Hori等成功摻入5%Mn在GaN中,獲得了高於室溫的Tc;報道表明(Zn,Co)O的居里溫度可達到290～380K[26]。Dietl等[6]採用Zener模型對閃鋅礦結構的磁半導體計算表明,GaMnN和ZnMnO具有高達室溫的居里溫度,該計算結果對實驗研究提供了很好的理論依據。但是,如何將磁性和半導體屬性有機地結合起來仍然是值得進一步研究的問題。