CN101562213A - 光学自旋注入方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学自旋注入的方法，包括如下步骤：步骤1：取一衬底，在该衬底上生长缓冲层，缓冲层用于平滑衬底，使得后面生长的外延结构完整性好；步骤2：在缓冲层上生长有源层，有源层用来操控自旋极化的电子；步骤3：在有源层上生长共振隧穿结构，起到自旋滤波的作用；步骤4：在共振隧穿结构上生长光吸收层，用来产生自旋极化的电子；步骤5：在光吸收层上生长电子阻挡层，用来阻挡避免非自旋极化的电子；步骤6：在电子阻挡层上生长重掺杂层，用于做欧姆接触。

Description

光学自旋注入方法
技术领域
本发明涉及一种自旋注入方法，特别是利用光学偏振转移以及共振隧穿在半导体有源区内引入高自旋极化度的电子。
背景技术
CMOS集成电路中器件尺寸的不断减小和集成密度的不断提高带来了很多的问题。量子效应已经不可忽略，器件的散热问题，产品的良率等都使得被人们奉为金科玉律的摩尔定律面临巨大的挑战，这个时候人们考虑到利用电子的自旋是解决上述问题的很好的方案。
自旋相关效应所需要的尺度在纳米量级，比电荷所需要的至少几十纳米要小一个量级，自旋器件更容易达到更高的集成度；其次，传统的电子学器件电荷的相互作用能在电子伏量级，而自旋器件依赖于自旋与自旋的耦合，其相互作用能为毫电子伏量级，自旋器件拥有更低的功耗，对全世界的能源危机而言是一个福音；并且，电子的自旋的保持时间在纳秒量级，拥有更高的开关速度；最后，自旋同外界的相互作用远比电荷要小，因而自旋器件有更高的稳定性。以上这四点，恰恰是人们长期追求的目标。
然而要实现自旋操纵，我们必须找到一种切实可行的方法在半导体中注入自旋。现在的注入方法有通过铁磁体向半导体中注入自旋，但这种注入方法由于铁磁金属同半导体的界面电导不匹配，导致很低的自旋注入效率；利用自旋霍耳效应产生自旋流，这种方法的缺点在于它利用的是半导体中的自旋轨道耦合效应，因而只适用于窄带隙半导体并且只能低温操作；普通的圆偏振光的自旋转移，这种方法产生的自旋极化度很低。为了客服上述自旋注入方法的缺点，特提出了此方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光学自旋注入方法，本方法由于利用了共振隧穿结构做自旋滤波，因而隧穿到有源区的自旋极化的电子的极化度接近100％；本方法利用的是光学自旋注入，因而不需要磁场，操作简单，器件也更容易集成；本方法更容易实现室温操作，有利于器件的实用化。
本发明提供一种光学自旋注入的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底，在该衬底上生长缓冲层，缓冲层用于平滑衬底，使得后面生长的外延结构完整性好；
步骤2：在缓冲层上生长有源层，有源层用来操控自旋极化的电子；
步骤3：在有源层上生长共振隧穿结构，起到自旋滤波的作用；
步骤4：在共振隧穿结构上生长光吸收层，用来产生自旋极化的电子；
步骤5：在光吸收层上生长电子阻挡层，用来阻挡避免非自旋极化的电子；
步骤6：在电子阻挡层上生长重掺杂层，用于做欧姆接触。
其中所述的电子阻挡层的材料是Al0.45Ga0.55As，电子阻挡层的厚度为30nm。
其中所述的光吸收层的材料是GaAs，光吸收层厚度为500nm。
其中所述的共振隧穿结构包括：一出射垒，该出射垒上生长量子阱，该量子阱上生长入射垒，该共振隧穿结构用于实现自旋滤波，提高自旋流的极化度。
其中所述的出射垒的材料为AlAs，出射垒的厚度为2nm。
其中所述的量子阱的材料为GaAs，量子阱的厚度为7.5nm。
其中所述的入射垒的材料为AlAs，入射垒的厚度为5.0nm。。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种光学自旋注入方法，这种方法有以下优点：本方法由于利用了共振隧穿结构做自旋滤波，因而隧穿到有源区的自旋极化的电子的极化度接近100％；本方法利用的是光学自旋注入，因而不需要磁场，操作简单，器件也更容易集成；本方法更容易实现室温操作，有利于器件的实用化。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明光学自旋注入的方法示意图；
图3不同温度下样品的电流电压特性曲线，其中所用激光光源为He-Ne激光器，波长为632.8nm，入射光强为1mW。
具体实施方式
请参阅图1所示，图1是本发明所涉及的材料层次结构图。其中选择一重掺杂的GaAs衬底10；其上生长一层缓冲层20，该缓冲层20的厚度为250nm，该缓冲层20的材料为重掺的GaAs，该缓冲层20可以平滑衬底，使得后续生长的外延结构的位错更少、晶格更加完整，保证其优良的光学、电学特性。其后生长一层有源层30，该有源层30的厚度为200nm，该有源层30的材料为GaAs，该有源层30内部可以嵌入量子阱或者量子点，对隧穿过来的自旋极化的电子进行自旋操控。其后生长一层共振隧穿结构40，该共振隧穿结构40起到自旋滤波的作用，使得隧穿到有源区的自旋极化的电子的极化度可以接近100％。该共振隧穿结构40包括：一层出射垒41，该出射垒41的厚度为2nm，该出射垒41的材料为AlAs，该出射垒41要足够薄，使得电子更容易隧穿到有源区；在该出射垒41上生长量子阱42；该量子阱42的厚度为7.5nm，该量子阱42的材料为GaAs，该量子阱42的厚度要合适，这样才能同积累的自旋极化的电子产生共振；在量子阱42上生长入射垒43，该入射垒42的厚度为5nm，该入射垒43的材料为AlAs，该入射垒43要厚一些，这样起到阻挡作用，使得积累的自旋极化的电子只有在同量子阱共振的时候才能隧穿到有源区，保证隧穿到有源区的电子的自旋极化度接近100％。其后生长光吸收层50，该光吸收层的厚度为500nm，该光吸收层50的材料为GaAs，该光吸收层50的厚度要足够厚，这样才能通过光学吸收积累起数量的自旋极化的电子，自旋取向不同的电子的准费米面能够分的比较开，保证同量子阱共振时只有一种自旋取向的电子可以共振隧穿出去，提高隧穿到有源区的电子的自旋极化度。其后生长电子阻挡层60，该电子阻挡层60的材料为30nm，该电子阻挡层60的材料为Al0.45Ga0.55As，该电子阻挡层60的势垒的厚度、高度都要足够，必须能够阻挡来自表面重掺杂区的非极化的电子，保证光吸收层50内的电子的自旋极化度。最上面生长重掺杂70，该重掺杂70的厚度为100nm，该重掺杂70的材料为GaAs，用来做欧姆接触。
图2是在外加负偏压(表面电极接负，衬底接正)的情况下半导体低维结构的能带结构示意图以及如何实现高极化度的全光自旋注入的示意模型，其中各层的标号见图1。如图2所示，在负偏置情况下，一束能量为
Figure A20081010424400091
的圆偏振光激发把价带的电子到导带上，由于有外电场的存在，电子积累在入射垒43的前端，空穴则向电子阻挡层60漂移，电子空穴分离。在入射垒43附近积累的自旋极化的电子由于是自旋极化的，其极化度大约为50％，自旋向上的电子少于自旋向下的电子。由于电子之间的自旋交换相互作用，利用准费米能级近似，这样会有不用的费米面E↓、E↑，箭头代表电子的自旋方向，即自旋向下的电子与自旋向上的电子。共振隧穿结构40在量子阱中会有一个束缚的能级E1。在适当的偏压的时候，E1能级的高度介于E↓与E↑之间，这样只有自旋向下的电子隧穿到有源层30，使得隧穿过去的电子的极化度可以达到100％。
图3是在外加激光光照的情况下15K、40K、70K温度下样品的电流电压曲线，激发波长为632.8nm，入射光强为1mW。横坐标为电压，纵坐标为电流，从图中我们明显可以看到由于光注入产生的电子在电场的作用下积累在入射垒43的前端而同阱内第一个能级发生共振的共振隧穿峰。随着温度的升高，由于热效应的影响，隧穿峰的峰谷比逐渐减小，但是70K的时候这个隧穿峰还是存在的，如果将结构进一步优化，那么有望在常温下常温下实现自旋注入。这个实验初步证实了我们的猜想，说明我们所提供的这种光学自旋注入方法完全可行，并且有望在室温下在有源区内获得极化度接近100％的电子流。
本发明所涉及的高效光学自旋注入方案的工作原理。
激光照射在样品上，起产生吸收的主要区域为表面的GaAs重掺杂层70，以及500nm厚的GaAs光吸收层50。入射光源为圆偏振光，那么根据光学选择定则导带产生的电子的极化度约为50％，给样品加上负向偏置的电压，这样光吸收层50内产生的电子都会在电场的作用下在入射垒43的附近聚集。由于光吸收层50的前面是30nm厚的Al0.45Ga0.55As电子阻挡层60，这样表面重掺杂区内非极化的电子就不会越过势垒也聚集在入射垒43的附近，降低积累电子的极化度。另外在加了负向偏压的情况下，电子积累在入射垒43附近，而价带的空穴则同电子反方向运动，积累在光吸收层50前面的阻挡势垒的附近，电子空穴分开，由于电子空穴自旋交换相互作用导致的电子自旋驰豫机制就不在存在，那么积累的电子的自旋相干性可以更好的保持。电场对电子的自旋相干性的破坏很小，那么最后聚集在势垒附近的电子的极化度损失很小。
在稳态光源的激发下，入射垒43的前端积累了大量的电子，然后其极化度就是在不考虑其相干性损失的情况下也只有50％。但是积累的电子有两个费米面，一个是自旋向下的电子的费米面E↓，一个是自旋向上的电子的费米面E↑，如果积累的电子的数目足够，那么这两个费米面会分得比较开。由于自旋向下的电子比较多，其费米面要高于自旋向上的电子的费米面。这样可以设计后面的共振隧穿结构，使得阱内的第一能级E1的高度介于这两个费米面之间，那么共振隧穿后进入有源区的电子的就只有自旋向下的，这样就可以产生自旋极化度为100％的自旋极化电子流。设计的时候入射垒43要厚，这样便于电子的积累，出射垒41要薄，使得电子很快可以隧穿到有源区，其极化度不会损失。
本发明所涉及的半导体低维结构的材料体系。
整个化合物半导体及其异质结只要是直接带隙材料均可采用。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (7)

1、一种光学自旋注入的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：取一衬底，在该衬底上生长缓冲层，缓冲层用于平滑衬底，使得后面生长的外延结构完整性好；
步骤2：在缓冲层上生长有源层，有源层用来操控自旋极化的电子；
步骤3：在有源层上生长共振隧穿结构，起到自旋滤波的作用；
步骤4：在共振隧穿结构上生长光吸收层，用来产生自旋极化的电子；
步骤5：在光吸收层上生长电子阻挡层，用来阻挡避免非自旋极化的电子；
步骤6：在电子阻挡层上生长重掺杂层，用于做欧姆接触。
2、根据权利要求1所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的电子阻挡层的材料是Al0.45Ga0.55As，电子阻挡层的厚度为30nm。
3、根据权利要求1所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的光吸收层的材料是GaAs，光吸收层厚度为500nm。
4、根据权利要求1所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的共振隧穿结构包括：一出射垒，该出射垒上生长量子阱，该量子阱上生长入射垒，该共振隧穿结构用于实现自旋滤波，提高自旋流的极化度。
5、根据权利要求4所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的出射垒的材料为AlAs，出射垒的厚度为2nm。
6、根据权利要求4所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的量子阱的材料为GaAs，量子阱的厚度为7.5nm。
7、根据权利要求4所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的入射垒的材料为AlAs，入射垒的厚度为5.0nm。
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