專利名稱：可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自旋存儲探測和光探測器領(lǐng)域，提供了一種可實現(xiàn)自旋存儲探測和光 探測器復(fù)合功能的器件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可應(yīng)用于自旋存儲探測以及光探測器等相關(guān)技術(shù)中。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體材料形成了現(xiàn)代電子學(xué)、通信、數(shù)據(jù)存儲和計算技術(shù)的基礎(chǔ)，并很大程度上 影響著現(xiàn)代文明。在形成這些技術(shù)的基礎(chǔ)中，有兩個條件精確地控制和操作電荷在半導(dǎo)體 中的傳輸，以及利用半導(dǎo)體材料有效地產(chǎn)生和探測光的技術(shù)。半導(dǎo)體信息處理器件是最復(fù) 雜的高性能器件結(jié)構(gòu)，建設(shè)一個新的生產(chǎn)線的成本大約在35億美元，而且這其中25%的工 具會發(fā)生陳舊老化，每三年就需要更新?lián)Q掉。因此，我們會想到取代當(dāng)前信息處理方法的必 要性。金屬自旋器件，比如硬盤的讀取磁頭和非揮發(fā)性的磁性隨機存儲器是過去十年中最 成功的技術(shù)，其作用甚至在一定程度上超越了 CMOS。今天我們要發(fā)展未來技術(shù)的一個挑戰(zhàn) 是不僅要像當(dāng)前技術(shù)這樣控制電子電荷，而且要控制它的自旋，以建立未來自旋技術(shù)的基 礎(chǔ)。控制電子的自旋將使電子攜帶的信息含量大大增加。相對于載流子的其他物理性質(zhì)， 比如速度和空間位置，電子的自旋受到半導(dǎo)體的影響更小些。因此自旋相關(guān)時間也會長一 些，這對于未來的自旋器件是至關(guān)重要的。半導(dǎo)體材料吸收或者發(fā)射光，伴隨著電子在不同能級的躍遷。能量守恒定律保證 了電子在躍遷過程中得到或者損失的能量與相應(yīng)吸收或者發(fā)射的光子能量精確的一致。同 樣地，角動量守恒定律使得光子的偏振狀態(tài)與電子自旋狀態(tài)相應(yīng)的一致。自旋技術(shù)的實用化涉及到三方面的技術(shù)自旋注入、自旋傳輸和自旋存儲、自旋讀 取探測。自旋注入可以通過兩種方法實現(xiàn)一是通過電注入的方法，二是通過光注入的方 法，目標(biāo)是提高自旋注入的效率；自旋存儲是希望得到盡量長的自旋弛豫時間，尤其是在室 溫下實現(xiàn)以達(dá)到實用化；自旋探測是對自旋信息的檢測讀取。近些年來，世界上各個實驗 組對這三方面關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究。法國的X. Marie小組已經(jīng)檢測到了 GaNAs和 InGaNAs量子阱在室溫下可以實現(xiàn)較長的電子自旋弛豫時間。而大量的實驗組通過在微腔 中埋入量子點或者量子阱測到了放大的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。但是并沒有實驗組將這兩種技術(shù) 優(yōu)勢結(jié)合到一起。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件結(jié) 構(gòu)，運用這種器件結(jié)構(gòu)，可以在一個器件結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)自旋的存儲、自旋的探測以及光探測三 種功能。本發(fā)明一種可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一微腔結(jié)構(gòu)，該微腔結(jié)構(gòu)生長在砷化鎵緩沖層上。
所述的微腔結(jié)構(gòu)包括一下反射鏡；一下砷化鎵層，該下砷化鎵層生長在下反射鏡上；一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在砷化鎵層上；一上砷化鎵層，該上砷化鎵層生長在有源區(qū)上；一上反射鏡，該上反射鏡生長在上砷化鎵層上。所述的下反射鏡為19個周期，每一周期包括一下高折射率砷化鎵層和生長在下 高折射率砷化鎵層上的下低折射率砷化鋁層。上反射鏡為14個周期，每一周期包括一上低折射率砷化鋁層和生長在上低折射 率砷化鋁層上的上高折射率砷化鎵層。所述的有源區(qū)包括3組銦鎵氮砷量子阱層，該3組銦鎵氮砷量子阱層之間分別生 長有砷化鎵間隔層。本發(fā)明的有益效果在于1、將InGaNAs在室溫下較長的電子自旋弛豫時間和微腔的諧振增強效應(yīng)以及增 強法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)結(jié)合到一起，從而可以實現(xiàn)電子自旋信息較長時間的存儲以及對自旋信 息的探測。2、在實現(xiàn)自旋存儲探測的同時，可以發(fā)揮量子阱微腔的諧振增強效應(yīng)，實現(xiàn)對入 射光的探測，從而在一個器件上實現(xiàn)多種功能。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1為本發(fā)明器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明器件的熒光譜；圖3為本發(fā)明器件的反射譜。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明一種可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件， 包括一砷化鎵襯底10 ；一砷化鎵緩沖層20，該砷化鎵緩沖層20厚度為500納米，生長在砷化鎵襯底10上。一微腔結(jié)構(gòu)30，該微腔結(jié)構(gòu)30生長在砷化鎵緩沖層20上。所述的微腔結(jié)構(gòu)30包括一下反射鏡31 ；所述的下反射鏡31為19個周期，每一周期包括一下高折射率砷 化鎵層311，其厚度為76. 4納米，和生長在下高折射率砷化鎵層311上的下低折射率砷化鋁 層312，其厚度為90. 7納米；一下砷化鎵層32，該下砷化鎵層32厚度為122. 5納米，生長在下反射鏡31上；一有源區(qū)33，該有源區(qū)33生長在下砷化鎵層32上；一上砷化鎵層34，該上砷化鎵層34厚度為122. 5納米，生長在有源區(qū)33上；所述的有源區(qū)33包括3組銦鎵氮砷量子阱層331、333、335，該3組銦鎵氮砷量子阱層331、333、 335之間分別生長有砷化鎵間隔層332、334，其中每一組銦鎵氮砷量子阱層的厚度為7納 米，每一組砷化鎵間隔層的厚度為20納米；一上反射鏡35，該上反射鏡35生長在上砷化鎵層34上；上反射鏡35為14個周 期，每一周期包括一上低折射率砷化鋁層351，其厚度為90. 7納米，和生長在上低折射率砷 化鋁層351上的上高折射率砷化鎵層352，其厚度為76. 4納米。本發(fā)明實施例設(shè)計的微腔腔模在1064納米，上反射鏡和下反射鏡每一層的厚度 都是按照光學(xué)長度為中心波長1064納米的四分之一設(shè)計的，上下反射鏡之間的腔體光學(xué) 長度設(shè)計為1064納米，量子阱對應(yīng)的發(fā)光波長也在1064納米。這是在微腔結(jié)構(gòu)樣品設(shè)計 中的基本原則，那就是上下反射鏡對應(yīng)高反帶的中心波長、腔體長度對應(yīng)的中心波長以及 有源介質(zhì)的發(fā)光波長要保持一致，這樣才能真正地實現(xiàn)微腔的諧振增強作用。我們首次在GaAs基微腔結(jié)構(gòu)中生長InGaNAs量子講，利用微腔的諧振增強效應(yīng)， 可以實現(xiàn)電子自旋弛豫時間的增大，為電子自旋存儲技術(shù)提供一種方法。下面介紹一下我 們測試電子自旋弛豫時間的實驗技術(shù)。選取一種圓偏振光(左旋或者右旋)作為器件的泵 浦光，泵浦激光的波長不能長于InGaNAs量子阱的發(fā)光峰，否則將不能對InGaNAs量子阱實 現(xiàn)激發(fā)，同時泵浦激光要繞開微腔的高反帶以便有效入射進(jìn)入腔內(nèi)。對器件施加一個圓偏 振激光脈沖激發(fā)后，檢測量子阱發(fā)光峰相應(yīng)圓偏振光的熒光強度隨時間的變化曲線，可以 推斷出電子自旋的弛豫時間。參閱圖2及圖3，分別顯示本發(fā)明的熒光譜和反射譜。我們首次在GaAs基微腔結(jié)構(gòu)中生長InGaNAs量子講，利用微腔的增強法拉第旋轉(zhuǎn) 效應(yīng)，可以有效地對自旋信息進(jìn)行探測，為自旋的檢測技術(shù)提供一種方法。下面說明一下我 們探測自旋信息的實驗方法，也就是利用傳統(tǒng)的法拉第旋轉(zhuǎn)技術(shù)。對器件施加一個圓偏振 的激光脈沖激發(fā)，然后斜入射線偏振的探測激光，在探測激光的反射方向檢測線偏振激光 的偏轉(zhuǎn)度(克爾旋轉(zhuǎn)角)以及隨時間的變化曲線，可以測得器件內(nèi)電子自旋的狀態(tài)信息。在 自旋探測技術(shù)中，法拉第旋轉(zhuǎn)和克爾旋轉(zhuǎn)是基本等效的技術(shù)，只不過法拉第旋轉(zhuǎn)測試的是 線偏振探測光投射樣品后的偏轉(zhuǎn)角度，而克爾旋轉(zhuǎn)測試的是線偏振探測光從樣品反射出來 后的偏轉(zhuǎn)角度。由于投射樣品，需要將樣品做的很薄，所以，為了測試方便，我們通常是探測 克爾旋轉(zhuǎn)角的。我們首次在GaAs基微腔結(jié)構(gòu)中生長InGaNAs量子講，利用微腔的諧振增強效應(yīng)， 設(shè)計微腔的腔模和量子阱的發(fā)光峰一致，作為一種高量子效率光探測器。這里說明一下我 們實現(xiàn)光探測的實驗技術(shù)，利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝在器件的上下DBR做上歐姆接觸，并引 出導(dǎo)線，在器件的上表面形成光入射窗口。當(dāng)光照射到器件窗口時，在上下導(dǎo)線引出的回路 中施加適當(dāng)偏壓便可以檢測到光電流。通過檢測入射光功率和回路中的光電流的數(shù)值，便 可以進(jìn)一步計算出探測器的量子效率。另外，需要說明的是，我們的微腔結(jié)構(gòu)的上下高反射帶均是n型摻雜，以確保盡量 小的內(nèi)建電場，這對于實現(xiàn)器件的上述多種功能是很關(guān)鍵的。因為這既可以保證正常的實 現(xiàn)器件的光探測器功能，同時還不會對自旋存儲和自旋探測功能造成不利的影響。雖然當(dāng)前的半導(dǎo)體材料生長技術(shù)(比如M0CVD和MBE)已經(jīng)可以將材料的生長精 度準(zhǔn)確到納米，但是在實際的生長過程中，復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)以及長的生長時間還是會導(dǎo)致最終的器件結(jié)構(gòu)有誤差。對于微腔類型的器件結(jié)構(gòu)，很重要的一點就是腔模與量子阱發(fā)光 峰要一致，目前普遍的做法是，在微腔生長過程中的某一段時間停止旋轉(zhuǎn)形成腔體厚度的 自然梯度，然后通過在整個生長樣品上選取不同的點來尋找腔模與量子阱發(fā)光峰匹配較好 的位置。 制備出高質(zhì)量精確匹配的微腔量子阱器件結(jié)構(gòu)，將大大有助于本發(fā)明設(shè)計器件功 能的實現(xiàn)。通過在一個器件上實現(xiàn)自旋存儲、自旋探測以及附帶的光探測功能，將為未來量 子計算的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
一種可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一微腔結(jié)構(gòu)，該微腔結(jié)構(gòu)生長在砷化鎵緩沖層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，所述的微 腔結(jié)構(gòu)包括一下反射鏡；一下砷化鎵層，該下砷化鎵層生長在下反射鏡上；一有源區(qū)，該有源區(qū)生長在砷化鎵層上；一上砷化鎵層，該上砷化鎵層生長在有源區(qū)上；一上反射鏡，該上反射鏡生長在上砷化鎵層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，所述的下 反射鏡為19個周期，每一周期包括一下高折射率砷化鎵層和生長在下高折射率砷化鎵層 上的下低折射率砷化鋁層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，上反射鏡 為14個周期，每一周期包括一上低折射率砷化鋁層和生長在上低折射率砷化鋁層上的上 高折射率砷化鎵層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，所述的有 源區(qū)包括3組銦鎵氮砷量子阱層，該3組銦鎵氮砷量子阱層之間分別生長有砷化鎵間隔層。
全文摘要
一種可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一微腔結(jié)構(gòu)，該微腔結(jié)構(gòu)生長在砷化鎵緩沖層上。本發(fā)明可實現(xiàn)自旋存儲探測和光探測器復(fù)合功能的器件結(jié)構(gòu)，運用這種器件結(jié)構(gòu)，可以在一個器件結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)自旋的存儲、自旋的探測以及光探測三種功能。
文檔編號H01L29/66GK101882629SQ20091008349
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者孫曉明, 甘華東, 申超, 鄭厚植 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所