自旋注入

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1、自旋电子学系列讲座 自旋电子学系列讲座 (3) 自旋注入 翟亚翟亚 主要内容: ?引言 ?自旋极化场效应晶体管 ?自旋的注入与探测的方法 ?铁磁/半导体集成结构的制备和特性 在电子电荷的基础上建立了半导体电子学 ?在固体电子工业上最大的成就是1947年在Bell实验室首次发 现了晶体管。 ?在5年之后商业化，现在成了每台计算机不可缺少的元件。 ?此后，在市场上出现各种各样的半导体器件。 场效应晶体管： 晶 体 管 是 一 种 微 型 电 子 开关 。 它 们 是 计 算 机 的 “ 大 脑 “ 微 处 理 器 的 基 本 组 成 部 分 晶 体 管 有 两 种 工 作 状 态 ， 通 和 断

2、。 晶 体 管 的 通 / 断 （ 二 进 制 功 能 ） 实 现 了 计 算 机 内 部 的 信 息 处 理 。 晶 体 管 存 在 的 这 两 种 状 态 可 以 用 二 进 制 来 表 示 。 用 1 表 示“ 通 “ ， 用 0 表 示“ 断 “ 。 多 个 晶 体 管 产 生 的 1 和 0 所 形 成 的 特 定 序 列 和 模 式 可 以 表 示 字 母 、 数 字 、 颜 色 和 图 形 。 每 个 字 母 都 可 以 用 相 应 的 二 进 制 符 号 来 表 示 。 右 面 列 了 组 成 JOHN 这 个 名 字 的 所 有 字 母 及 其 相 应 的 二 进 制 符 号

3、 。 我 们 还 可 以 用 二 进 制 或 晶 体 管 的 通 / 断 状 态 来 产 生 像 图 形 、 音 频 和 视 频 等 更 复 杂 的 信 息 。 允 许 电 流 通 过 的 材 料 就 是 导 体 ， 比 如 绝 大 多 数 金 属 。 不 允 许 电 流 通 过 的 材 料 就 是 绝 缘 体 。 纯 净 的 硅 是 大 多 数 晶 体 管 的 基 本 制 造 材 料 ， 是 半 导 体 ， 因 为 可 以 通 过 加 入 杂 质 来 调 节 其 导 电 性 。 向 晶 体 管 中 的 硅 添 加 特 定 类 型 的 杂 质 可 以 改 变 硅 的 晶 体 结 构 并 增 强

4、 其 导 电 性 。 含 有 硼 的 硅 被 称 为 p 型 硅 ， p 表 示 空穴为导电载流子 。 含 有 磷 的 硅 被 称 为 n 型 硅 ， n 代 表 电 子为导电载流子。 晶 体 管 由 三 个 端 点 组 成 ： 源 极 、栅 极 和 漏 极。在 n 型 晶 体 管 中 ， 源 极 和 漏 极 均 带 负 电 荷 ， 在 带 正 电 的 p 型 硅 之 上 当 栅 极 带 正 电 时 ， p 型 硅 中 的 电 子 被 吸 引 到 栅 极 下 面 的 地 方 ， 从 而 在 源 极 和 漏 极 之 间 形 成 一 个 电 子 通 道 。当漏极带正电时，电 子 就 会 从 源 极

5、 流 向 漏 极 。 晶 体 管 处 于 通 的 状 态 。 如 果 栅 极 的 电 压 消 失 ， 那 么 电 子 就 不 会 被 吸 引 到 源 极 与 漏 极 之 间 的 区 域 。 电 路 一 断 ， 晶 体 管 就 处 于 断 的 状 态 1965年Gordon Moore（ Intel 的发明者之一）预测了集成电路元 件的容量（每个晶片上晶体管数目）将呈指数增长或者翻番。 每18个月增加一倍！ 继续小型化集成电路元器件要求： ?新制备技术； ?新材料； ?新构形设计。 必须承认，一旦达到自由 度的基本极限时，集成电 路的小型化怎么继续？ 什么是下一代的电子器件？ ?具有纳米尺寸、集

6、成电路的容量和性能。 ?现在，我们正在量子相干效应设定的极限附近，量子 效应开始左右器件行为。对计算机设计是极大的挑战。 ?自旋相干导电使得自旋成为导电的又一个自由度。使 得电子器件可能：增加处理速度，降低功耗，提高集成 容量，非挥发性的储存方式。 在电子自旋的基础上建立了半导体自旋电子学 ? 半导体自旋电子学（Semiconductor Spintronics）将“自旋” 极化载流子引入到半导体中，利用电子电荷流动和自旋的相 互影响，将可能直接发展微电子学的新的功能，使其更加丰 富多样。 ? 改变现代信息处理技术的模式，操作半导体中的电子自旋 自由度或同时操作半导体中的电子自旋和电子电荷两个

7、自由 度同时进行进行信息的传输、处理和存储。 ? 将“自旋”极化载流子引入到半导体中，有两种最基本的 方案： ?直接在半导体中掺杂磁性元素，发展高居里温度 的磁性半导体； ?铁磁/半导体的集成结构，从铁磁体将自 旋电流注入到半导体，即自旋注入 杂化自旋电子学-第二代自旋电子学 ? 利用自旋控制半导体的行为的优势： ?具有更高的速度（自旋的速度高于电荷）：改变电子自旋取向要比 改变电子运动状态要容易和快； ? 低功耗：电荷相互作用的能量在eV量级，而自旋相互作用在meV 量 级； ? 非挥发性：停电不丢失数据； ? 同时进行进行信息的传输、处理和存储。 ? 和金属器件相比的一个主要区别就是能够放

8、大信号，因此可以构成 多功能设备。 ?自旋电子学涉及的典型课题：a)如何有效地极化一个自旋系 统，即如何注入自旋？b)系统的自旋极化相干态在输运过程中能保持 多长时间？c)如何有效地探测和操纵自旋状态以及自旋状态的改变？ S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990) 自旋注入 自旋输运调控 自旋探测 Spin-FET（Spin field-effect transistor） 最早的自旋极化场效应晶体管由Datta and Das 在1990提出 的。结构和传统的场效应晶体管相似，但工作原理截然不 同。而制备却是半导体工艺。 ? 栅

9、极上不加偏压，源极和漏极相对磁化强度的方向控制器件中的传导； ? 而在栅极上加上偏压，则自旋极化电子取决于由于Rashba自旋轨道耦产 生的有效磁场引起电子的自旋进动，因而改变注入电流的极化度； ? 这种三端器件是非常吸引人的，因为第一眼看上去和传统的晶体管在结 构上完全一样的，但又具有几乎完全不同的工作机制。 ?在铁磁/半导体复合器件 中，源极和漏极分别负责 注入和探测自旋极化电 子，是由铁磁材料制备 的； ? 输运限制在一高迁移率 的通道中，称作2维电子 气（2DEG）的通道； ? 通常， spin-FET 有两 种方法控制自旋极化电子 的流动。 Datta and Das spin-FE

10、T ? 用于注入自旋极化电子的源电极和用于探测自旋极化电子的漏电极和 都是铁磁材料。 ? 两电极之间的2DEG指形成的2维电子气层，也由半导体组成，但比上 下的InGaAs和 InAlAs半导体能带低，电子密集在其间形成，导电性较 好。 ? 半导体InGaAs衬底和 InAlAs层导电性要差于2DEG层。 自旋的注入与探测的两种方法 ? “使传导电子自旋极化” 即产生非平衡的自旋电子 （占有数）n n ?Aronov首次提出伴随着极化载流子在SC内部扩散一 定距离，可能控制自旋极化电流穿过FM/SC界面； ?方法之一，光注入与探测（光取向或光抽运）。 ?方法之二，电注入与探测（便于器件的应用）

11、。 自旋注入: 通过圆极化光，用来产生自旋极化载流子- 圆形偏振光脉冲 自旋探测: 通过时间分辨的Faraday 旋转 (线极化光的旋转) 光注入与探测 光注入的电子自旋能够在低温下在n型的GaAs中相干移动数 个微米 (Kikkawa and Awschalom, Nature 1999) ?Zhu等人第一次证实了过渡金属Fe确实可以通过Fe/GaAs的界面上形成的 肖特基势垒向MBE生长的GaAs/(In,Ga)As量子势阱结构中注入自旋极化电 子，用电致发光(electroluminescence)的 圆极化光在Faraday几何位形的量子阱 作用区探测到的极化度，发现从25K到300K

12、都有5%的恒定自旋极化率。H. J. Zhu, et al., PRL, 87, 016601 (2001). ?Jonker等人报导了自旋极化效率。他们在反向偏置的spin-LED中经由 Fe/AlGaAs中的肖特基势垒测定到室温中高达30%的自旋极化效率。并且通 过评估Rowell标准（自旋输运由遂穿过程决定）证明了测出的自旋极化率。 A. T. Hanbicki, et al., Appl. Phys. Lett. 80, 1240 (2002); Appl. Phys.Lett. 82, 4092 (2003). ?Yoh等人通过圆极化的场致发光测定了无任何势垒下的Fe/ InAs的自

13、旋极化 率，6.5K时检测到最大极化度为12%。后来作者又报告了300K时在InAs上生 长的单晶Fe薄膜，在6.5K时测出高达36%-40%的极化度。这得归功于在低温 下生长半导体的界面反应和外扩散没有高温中那么明显。K. Yoh, et al., J. Crystal Growth 251, 337 (2003); J. Vac. Sci. Technol. B22, 1432 (2004). 电注入与光探测 自旋注入: 通过从磁性注入器（可以 是顺磁的也可以是铁磁的）获得自 旋极化电流。 自旋探测: 通过探测光致发光的光极 化率 (到重空穴和轻空穴的跃迁几率 之差） From Ohnos

14、 work 电注入与光探测是在有机LED器件中被证实的。 (by Fiederling, Nature 1999; Ohno, Nature 1999; Jonker, PRL 2002) 电注入是可能的; 自旋相干能够被保持在 GaAs 空间！但是探 测仍然是光。 电注入与电探测 ? Schmit等人认为无效的电注入被发现与FM/SC界面电导率 错配率有关。 ? Rashba研究发现存在一个合适的势垒层可控制电流极化并 影响FM/SC界面两边的阻抗，因此通过量子力学隧穿过程可 产生非常高的自旋注入。 ? 理论工作很早就证实了FM/SC界面的自旋注入： ?Wunnicke等人实现了从Fe向Ga

15、As(001)的自旋注入。他们用第一性原理计算并 且考虑了一些复杂因素如考虑到了能带结构和表面问题。他们在Fe/GaAs(001)中 得到了极化率高达100%的极化电流，这么高的极化率来自于Fe 少数自旋的子带 和GaAs的能带的错配。 ?Zwierzycki等人预测了Fe/InAs(001)界面的自旋注入基于Fe和InAs为欧姆接触， 在界面处没有任何能垒形成。对于两个端面存在大的自旋不对称性并且Fe和 InAs(001)之间形成的镜面界面就像一个有效的自旋过滤器，导致了In-terminated and As-terminated界面相当高的自旋极化度98%和89%。 ? 从FM 向 SC

16、 直接自旋注入的效率，由于他们的电导率的错配，非常低, 但是当在界面处存在一个合适的能垒如Schottky能垒，高效率的自旋注入也 可发生。 ? 一种新颖的垂直自旋注入器件用来研究自旋注入，其中的GaAs膜厚度为 0.1 - 0.5mm 。 ?在GaAs(100)衬底两侧，分别用MBE和热蒸发制备两层铁磁层，在GaAs 上采用光刻和有选择的化学腐蚀手段开一个约200mm x 200mm得窗口，一 层 FM层被设计来作为发射器，另一层作为电子隧穿的接收器。 15 ML的 Co layer 生长在 10mm x 10mm As-吸附的GaAs(100) 衬底上，GaAs(100) 衬底包含了外延的 Al0.3Ga0.7As，具有结构GaAs(50nm, n-type, 1018/cm-3)/ Al0.3Ga0.7As(200nm, n-type, 1018/cm-3)/ GaAs(100). ? 采用独立的铁磁探测器测量非平衡自旋数以保证没有电 荷流流动-自旋流和电荷流分离。 ? 更严格的是观察到Hanle效应：纵向磁场的进动和相移引 起的自旋