專利名稱：光學(xué)自旋注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自旋注入方法，特別是利用光學(xué)偏振轉(zhuǎn)移以 及共振隧穿在半導(dǎo)體有源區(qū)內(nèi)引入高自旋極化度的電子。
背景技術(shù)：
CMOS集成電路中器件尺寸的不斷減小和集成密度的不斷提 高帶來(lái)了很多的問(wèn)題。量子效應(yīng)已經(jīng)不可忽略，器件的散熱問(wèn)題， 產(chǎn)品的良率等都使得被人們奉為金科玉律的摩爾定律面臨巨大 的挑戰(zhàn)，這個(gè)時(shí)候人們考慮到利用電子的自旋是解決上述問(wèn)題的 很好的方案。
自旋相關(guān)效應(yīng)所需要的尺度在納米量級(jí)，比電荷所需要的至
少幾十納米要小一個(gè)量級(jí)，自旋器件更容易達(dá)到更高的集成度；
其次，傳統(tǒng)的電子學(xué)器件電荷的相互作用能在電子伏量級(jí)，而 自旋器件依賴于自旋與自旋的耦合，其相互作用能為毫電子伏量 級(jí)，自旋器件擁有更低的功耗，對(duì)全世界的能源危機(jī)而言是一
個(gè)福音；并且，電子的自旋的保持時(shí)間在納秒量級(jí)，擁有更高的 開(kāi)關(guān)速度；最后，自旋同外界的相互作用遠(yuǎn)比電荷要小，因而自旋器件有更高的穩(wěn)定性。以上這四點(diǎn)，恰恰是人們長(zhǎng)期追求的目 標(biāo)。
然而要實(shí)現(xiàn)自旋操縱，我們必須找到一種切實(shí)可行的方法在 半導(dǎo)體中注入自旋?，F(xiàn)在的注入方法有通過(guò)鐵磁體向半導(dǎo)體中注 入自旋，但這種注入方法由于鐵磁金屬同半導(dǎo)體的界面電導(dǎo)不匹 配，導(dǎo)致很低的自旋注入效率；利用自旋霍耳效應(yīng)產(chǎn)生自旋流， 這種方法的缺點(diǎn)在于它利用的是半導(dǎo)體中的自旋軌道耦合效應(yīng)， 因而只適用于窄帶隙半導(dǎo)體并且只能低溫操作；普通的圓偏振光 的自旋轉(zhuǎn)移，這種方法產(chǎn)生的自旋極化度很低。為了客服上述自 旋注入方法的缺點(diǎn)，特提出了此方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種光學(xué)自旋注入方法，本方法由 于利用了共振隧穿結(jié)構(gòu)做自旋濾波，因而隧穿到有源區(qū)的自旋極 化的電子的極化度接近1 0 0 本方法利用的是光學(xué)自旋注 入，因而不需要磁場(chǎng)，操作簡(jiǎn)單，器件也更容易集成；本方法更 容易實(shí)現(xiàn)室溫操作，有利于器件的實(shí)用化。
本發(fā)明提供一種光學(xué)自旋注入的方法，其特征在于，包括如 下步驟
步驟1 :取一襯底，在該襯底上生長(zhǎng)緩沖層，緩沖層用于平 滑襯底，使得后面生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)完整性好；
步驟2 :在緩沖層上生長(zhǎng)有源層，有源層用來(lái)操控自旋極化
5的電子；
步驟3 :在有源層上生長(zhǎng)共振隧穿結(jié)構(gòu)，起到自旋濾波的作
用；
步驟4 :在共振隧穿結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)光吸收層，用來(lái)產(chǎn)生自旋極 化的電子；
步驟5 :在光吸收層上生長(zhǎng)電子阻擋層，用來(lái)阻擋避免非自 旋極化的電子；
步驟6:在電子阻擋層上生長(zhǎng)重?fù)诫s層，用于做歐姆接觸。
其中所述的電子阻擋層的材料是AlQ.45GaQ.55AS，電子阻擋層 的厚度為3 0 nm。
其中所述的光吸收層的材料是GaAs，光吸收層厚度為5 0
0服o
其中所述的共振隧穿結(jié)構(gòu)包括 一出射壘，該出射壘上生長(zhǎng) 量子阱，該量子阱上生長(zhǎng)入射壘，該共振隧穿結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)自旋 濾波，提高自旋流的極化度。
其中所述的出射壘的材料為AlAs，出射壘的厚度為2 nm。 其中所述的量子阱的材料為GaAs，量子阱的厚度為7 . 5
nm0
其中所述的入射壘的材料為AlAs，入射壘的厚度為5 . 0
nm0 o
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明提供了一種光學(xué)自旋注入方法，這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)本方法由于利用了共振隧穿結(jié)構(gòu)做自旋濾波，因而隧穿到有 源區(qū)的自旋極化的電子的極化度接近1 0 0 % ;本方法利用的是
光學(xué)自旋注入，因而不需要磁場(chǎng)，操作簡(jiǎn)單，器件也更容易集成；
本方法更容易實(shí)現(xiàn)室溫操作，有利于器件的實(shí)用化。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容以下結(jié)合實(shí)施例及附
圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中
圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明光學(xué)自旋注入的方法示意圖； 圖3不同溫度下樣品的電流電壓特性曲線，其中所用激光 光源為He-Ne激光器，波長(zhǎng)為6 3 2 . 8 nm，入射光強(qiáng)為1 mW。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，圖1是本發(fā)明所涉及的材料層次結(jié)構(gòu)圖。 其中選擇一重?fù)诫s的GaAs襯底1 0 ;其上生長(zhǎng)一層緩沖層2 0 ， 該緩沖層2 0的厚度為2 5 0 nm，該緩沖層2 0的材料為重?fù)降?GaAs，該緩沖層2 0可以平滑襯底，使得后續(xù)生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)的 位錯(cuò)更少、晶格更加完整，保證其優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)特性。其后 生長(zhǎng)一層有源層3 0 ，該有源層3 0的厚度為2 0 0 nm，該有源 層3 0的材料為GaAs，該有源層3 0內(nèi)部可以嵌入量子阱或者 量子點(diǎn)，對(duì)隧穿過(guò)來(lái)的自旋極化的電子進(jìn)行自旋操控。其后生長(zhǎng)一層共振隧穿結(jié)構(gòu)4 0 ，該共振隧穿結(jié)構(gòu)4 O起到自旋濾波的作
用，使得隧穿到有源區(qū)的自旋極化的電子的極化度可以接近i o 0 % 。該共振隧穿結(jié)構(gòu)4 0包括 一層出射壘4 1 ，該出射壘4 1的厚度為2 nm，該出射壘4 1的材料為AlAs，該出射壘4 1 要足夠薄，使得電子更容易隧穿到有源區(qū)；在該出射壘4 1上生 長(zhǎng)量子阱4 2 ;該量子阱4 2的厚度為7 . 5 nm，該量子阱4 2 的材料為GaAs，該量子阱4 2的厚度要合適，這樣才能同積累 的自旋極化的電子產(chǎn)生共振；在量子阱4 2上生長(zhǎng)入射壘4 3 ， 該入射壘4 2的厚度為5 nm，該入射壘4 3的材料為AlAs，該入 射壘4 3要厚一些，這樣起到阻擋作用，使得積累的自旋極化的 電子只有在同量子阱共振的時(shí)候才能隧穿到有源區(qū)，保證隧穿到 有源區(qū)的電子的自旋極化度接近1 0 0 %。其后生長(zhǎng)光吸收層5 0 ，該光吸收層的厚度為5 0 0 nm，該光吸收層5 0的材料為 GaAs，該光吸收層5 0的厚度要足夠厚，這樣才能通過(guò)光學(xué)吸收 積累起數(shù)量的自旋極化的電子，自旋取向不同的電子的準(zhǔn)費(fèi)米面 能夠分的比較開(kāi)，保證同量子阱共振時(shí)只有一種自旋取向的電子 可以共振隧穿出去，提高隧穿到有源區(qū)的電子的自旋極化度。其 后生長(zhǎng)電子阻擋層6 0 ，該電子阻擋層6 0的材料為3 0 nm，該 電子阻擋層6 0的材料為Alo.45Gao.55As，該電子阻擋層6 0的勢(shì) 壘的厚度、高度都要足夠，必須能夠阻擋來(lái)自表面重?fù)诫s區(qū)的非 極化的電子，保證光吸收層5 0內(nèi)的電子的自旋極化度。最上面 生長(zhǎng)重?fù)诫s7 0 ，該重?fù)诫s7 0的厚度為1 0 0 nm，該重?fù)诫s7O的材料為GaAs，用來(lái)做歐姆接觸。
圖2是在外加負(fù)偏壓(表面電極接負(fù)，襯底接正)的情況下
半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖以及如何實(shí)現(xiàn)高極化度的全
光自旋注入的示意模型，其中各層的標(biāo)號(hào)見(jiàn)圖1 。如圖2所示，
在負(fù)偏置情況下， 一束能量為^的圓偏振光激發(fā)把價(jià)帶的電子
到導(dǎo)帶上，由于有外電場(chǎng)的存在，電子積累在入射壘4 3的前端， 空穴則向電子阻擋層6 0漂移，電子空穴分離。在入射壘4 3附 近積累的自旋極化的電子由于是自旋極化的，其極化度大約為5
0 %，自旋向上的電子少于自旋向下的電子。由于電子之間的自
旋交換相互作用，利用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)近似，這樣會(huì)有不用的費(fèi)米面
&、 A，箭頭代表電子的自旋方向，即自旋向下的電子與自旋向 上的電子。共振隧穿結(jié)構(gòu)4 0在量子阱中會(huì)有一個(gè)束縛的能級(jí)
￡'。在適當(dāng)?shù)钠珘旱臅r(shí)候，《能級(jí)的高度介于^與^之間，這樣 只有自旋向下的電子隧穿到有源層3 0 ，使得隧穿過(guò)去的電子的 極化度可以達(dá)到1 0 0 %。
圖3是在外加激光光照的情況下1 5 K、 4 0 K、 7 0 K溫度 下樣品的電流電壓曲線，激發(fā)波長(zhǎng)為6 3 2 . 8 nm，入射光強(qiáng)為
1 mW。橫坐標(biāo)為電壓，縱坐標(biāo)為電流，從圖中我們明顯可以看到 由于光注入產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)的作用下積累在入射壘4 3的前 端而同阱內(nèi)第一個(gè)能級(jí)發(fā)生共振的共振隧穿峰。隨著溫度的升 高，由于熱效應(yīng)的影響，隧穿峰的峰谷比逐漸減小，但是7 0K 的時(shí)候這個(gè)隧穿峰還是存在的，如果將結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，那么有
9望在常溫下常溫下實(shí)現(xiàn)自旋注入。這個(gè)實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)了我們的猜 想，說(shuō)明我們所提供的這種光學(xué)自旋注入方法完全可行，并且有 望在室溫下在有源區(qū)內(nèi)獲得極化度接近1 0 0%的電子流。 本發(fā)明所涉及的高效光學(xué)自旋注入方案的工作原理。
激光照射在樣品上，起產(chǎn)生吸收的主要區(qū)域?yàn)楸砻娴腉aAs 重?fù)诫s層7 0 ，以及5 0 0 nm厚的GaAs光吸收層5 0 。入射光 源為圓偏振光，那么根據(jù)光學(xué)選擇定則導(dǎo)帶產(chǎn)生的電子的極化度 約為5 0 %，給樣品加上負(fù)向偏置的電壓，這樣光吸收層5 0內(nèi) 產(chǎn)生的電子都會(huì)在電場(chǎng)的作用下在入射壘4 3的附近聚集。由于 光吸收層5 0的前面是3 Onm厚的A10.4 5Ga0. 5 5As電子 阻擋層6 0 ，這樣表面重?fù)诫s區(qū)內(nèi)非極化的電子就不會(huì)越過(guò)勢(shì)壘 也聚集在入射壘4 3的附近，降低積累電子的極化度。另外在加 了負(fù)向偏壓的情況下，電子積累在入射壘4 3附近，而價(jià)帶的空 穴則同電子反方向運(yùn)動(dòng)，積累在光吸收層5 0前面的阻擋勢(shì)壘的 附近，電子空穴分開(kāi)，由于電子空穴自旋交換相互作用導(dǎo)致的電 子自旋馳豫機(jī)制就不在存在，那么積累的電子的自旋相干性可以 更好的保持。電場(chǎng)對(duì)電子的自旋相干性的破壞很小，那么最后聚 集在勢(shì)壘附近的電子的極化度損失很小。
在穩(wěn)態(tài)光源的激發(fā)下，入射壘4 3的前端積累了大量的電 子，然后其極化度就是在不考慮其相干性損失的情況下也只有5 0 %。但是積累的電子有兩個(gè)費(fèi)米面， 一個(gè)是自旋向下的電子的 費(fèi)米面A, —個(gè)是自旋向上的電子的費(fèi)米面^，如果積累的電子的數(shù)目足夠，那么這兩個(gè)費(fèi)米面會(huì)分得比較開(kāi)。由于自旋向下的 電子比較多，其費(fèi)米面要高于自旋向上的電子的費(fèi)米面。這樣可
以設(shè)計(jì)后面的共振隧穿結(jié)構(gòu)，使得阱內(nèi)的第一能級(jí)￡'的高度介于 這兩個(gè)費(fèi)米面之間，那么共振隧穿后進(jìn)入有源區(qū)的電子的就只有 自旋向下的，這樣就可以產(chǎn)生自旋極化度為1 0 0 %的自旋極化 電子流。設(shè)計(jì)的時(shí)候入射壘4 3要厚，這樣便于電子的積累，出 射壘4 1要薄，使得電子很快可以隧穿到有源區(qū)，其極化度不會(huì) 損失。
本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的材料體系。
整個(gè)化合物半導(dǎo)體及其異質(zhì)結(jié)只要是直接帶隙材料均可采用。
上述實(shí)施例僅是為了方便說(shuō)明而舉例而己，本發(fā)明所主張的 權(quán)利范圍自應(yīng)以權(quán)利要求范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施
權(quán)利要求
1、一種光學(xué)自旋注入的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1取一襯底，在該襯底上生長(zhǎng)緩沖層，緩沖層用于平滑襯底，使得后面生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)完整性好；步驟2在緩沖層上生長(zhǎng)有源層，有源層用來(lái)操控自旋極化的電子；步驟3在有源層上生長(zhǎng)共振隧穿結(jié)構(gòu)，起到自旋濾波的作用；步驟4在共振隧穿結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)光吸收層，用來(lái)產(chǎn)生自旋極化的電子；步驟5在光吸收層上生長(zhǎng)電子阻擋層，用來(lái)阻擋避免非自旋極化的電子；步驟6在電子阻擋層上生長(zhǎng)重?fù)诫s層，用于做歐姆接觸。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的電子阻擋層的材料是Al。.45GaQ.55AS，電子阻擋層的厚 度為3 0 nm。
3 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的光吸收層的材料是GaAs，光吸收層厚度為5 0 0 nm。
4 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的共振隧穿結(jié)構(gòu)包括 一出射壘，該出射壘上生長(zhǎng)量子阱，該量子阱上生長(zhǎng)入射壘，該共振隧穿結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)自旋濾波， 提高自旋流的極化度。
5 、根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于，其中所述的出射壘的材料為AlAs，出射壘的厚度為2 nm。
6 、根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的量子阱的材料為GaAs，量子阱的厚度為7 . 5 nm。
7 、根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的入射壘的材料為AlAs，入射壘的厚度為5 . 0 nm。
全文摘要
一種光學(xué)自旋注入的方法，包括如下步驟步驟1取一襯底，在該襯底上生長(zhǎng)緩沖層，緩沖層用于平滑襯底，使得后面生長(zhǎng)的外延結(jié)構(gòu)完整性好；步驟2在緩沖層上生長(zhǎng)有源層，有源層用來(lái)操控自旋極化的電子；步驟3在有源層上生長(zhǎng)共振隧穿結(jié)構(gòu)，起到自旋濾波的作用；步驟4在共振隧穿結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)光吸收層，用來(lái)產(chǎn)生自旋極化的電子；步驟5在光吸收層上生長(zhǎng)電子阻擋層，用來(lái)阻擋避免非自旋極化的電子；步驟6在電子阻擋層上生長(zhǎng)重?fù)诫s層，用于做歐姆接觸。
文檔編號(hào)H01L31/101GK101562213SQ20081010424
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者昊 吳, 孫曉明, 飛 張, 科 朱, 晶 羅, 肖文波, 談笑天, 鄭厚植 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所