CN101916587B - 一种可实现自旋动态存储的器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现自旋动态存储的器件，该器件包括从下到上依次生长的衬底(10)、缓冲层(20)和微腔结构(30)，且该微腔结构(30)包括从下到上依次生长的下反射镜(31)、有源区(32)和上反射镜(33)，该有源区(32)是由交替生长的镓氮砷(321)和砷化镓(322)构成。本发明通过将室温下具有长弛豫时间的镓氮砷材料置入微腔中作为有源区，利用微腔具有的强耦合机制，有效放大镓氮砷材料中电子的弛豫时间，为实现自旋的动态存储以及量子计算机的实现打下坚实的基础。

Description

一种可实现自旋动态存储的器件

技术领域

本发明涉及自旋相关技术领域，尤其是自旋存储技术领域，提供了一种可实现自旋动态存储的器件结构，本发明可应用于自旋动态存储相关技术中。

背景技术

近年来，随着微电子产业的发展，晶体管集成度的提高，电子器件尺度已经接近电子波函数的量级，量子尺寸效应成为制约传统电子器件性能的重要因素。三十年来一直被人们奉为金科玉律的摩尔定律正面临巨大挑战，实际上新推出的在个人计算机上使用的双核技术就是为了弥补电子学器件的速度瓶颈的一个权益之计。

我们知道，电子的自旋是和电子的质量、电荷一样的电子最基本的内在禀性，它只能取两个分立本征值，这就很像电子器件中的开与关或0与1两个状态，而后者实际上是人们对电子电荷进行控制的结果，是当今整个微电子技术的基础。如果能在器件中像操作电荷一样操作自旋，将出现很多全新的电子器件。作为电子的另一个自由度，和电荷一样也同样可以成为信息的载体，而且比电荷更有优势。自旋相关的效应所需尺度在纳米量级，比电荷所需要的至少几十纳米要小的多，自旋器件更容易达到很高的集成密度。传统的电子学器件依赖于电荷的数目和能量，它们的性能和速度被能量弥散所限制，而自旋器件依赖于自旋与自旋的耦合，所以它可以达到更高的速度并且有更小的功耗，这恰恰是人们长期追求的目标。因为电子同样是自旋的载体，所以自旋器件完全可以在现有的微电子工业的基础上实现。自旋电子器件取代传统的半导体微电子器件成为未来信息技术的基本元素已是未来科技发展的必然趋势。

1988年巨磁阻效应的发现带来了一场存储科技的革命，新一代高存储密度硬盘在磁阻效应基础上发展起来。自旋电子器件可以分为电子自旋器件、光子自旋器件和量子自旋器件三类。与传统的半导体器件相比，自旋电子器件具有稳定性好、数据处理速度更快、降低功率损耗以及集成密度高等优点。自从1988年巨磁阻效应被发现以来，人们将量子效应、电子自旋与器件的设计制造相结合，通过对超薄多层膜磁性材料中的电子自旋效应以及磁场条件下电阻变化的应用研究，巨磁阻技术使硬盘的存储容量获得极大的提高，与半导体材料相比利用磁性材料可以高效的保存数据，提高数据的传输速度，减少电能的损耗，同时还可以极大的提高集成的密度，所以下一代内存件将很可能被磁性随机内存所替代。除了在数据存储领域的非凡优势，一些世界知名的企业都投入大量资金，希望利用各种自旋电子器件在逻辑设计、量子计算以及量子通讯等领域的研究中发挥出更大的作用。目前自旋电子器件已经在计算机等有关领域得到应用，如果我们能够了解和控制半导体、半导体异质结以及铁磁半导体中的自旋自由度，发展高品质的自旋电子器件将具有巨大的潜力，甚至将可能发明出人们现今无法预期的新器件，如电隔离器件和在磁性随机内存。基于巨磁阻效应的电隔离器件，将一个集成线圈和一个巨磁阻感应器共同集成在一个集成电路芯片上，由于巨磁阻效应的存在，巨磁阻感应器的引入会大大减少电路模块之间相互通讯的源地噪音影响，提高电路的效率；基于磁性隧道结的磁性随机存储器，它利用磁滞来贮存信息，通过磁阻来读出信息。

近年来，自旋在量子计算和信息领域有了很好的发展。而试验和理论都发现，这一领域将面临几个巨大的挑战：1.得到足够长的自旋寿命和相干时间。2.对纳米尺度结构进行自旋相干性的检测。3.较大的空间长度和异质结界面上自旋偏振的传输。4.在超快时间尺度上的自旋相干的控制。

随着激光技术的飞速发展，目前激光脉冲的宽度已经进入了飞秒的领域，极短的激光脉冲持续时间使得对于各种超快物理现象过程的研究成为了可能，飞秒探针的产生为自旋相干过程的探测提供了有力的保障。激光技术与自旋电子学的结合使得人们在探索超快自旋动力学领域的研究过程中又迈进了新的一步。激光器制造技术的发展产生了各种不同特性的激光器，从紫外波段到红外波段，各种类型的激光器相继产生，激光脉冲的宽度也从ns量级，ps量级进入到了fs量级，更宽的光谱范围选择，更短的激光脉冲持续时间为人们对于各种微观、高速和强场物理过程的研究提供了有力的保障。通过探索精确的电子和光子的耦合方法，人们就可以实现光学的自旋注入，探测和操作。近年来，时间分辨光学试验显示，在很多种直接带隙半导体和异质结中，电子的自旋与环境的相互作用可以被阻隔，从而达到很长的自旋寿命。对自旋动力学的研究起到了很大的推动作用。

当前计算机的动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory)是利用场效应管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以存储电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1”和“0”。动态随机存储器的每个存储单元所需的场效应管较少，集成度较高，功耗也较低，但缺点是保存在动态随机存储器中的信息——场效应管栅极分布电容里的信息随着电容器的漏电而会逐渐消失，一般信息保存时间为2毫秒左右。为了保存动态随机存储器中的信息，必须每隔1～2毫秒对其刷新一次。因此，采用动态随机存储器的计算机必须配置动态刷新电路，防止信息丢失。动态随机存储器一般用作计算机中的主存储器。

要使自旋技术实用化，实现自旋的动态存储，头等重要的就是要得到足够长的自旋寿命和相干时间，尤其是在常温条件下的长自旋寿命和相干时间，以便实现器件在常温下的工作。近些年来，各国科学家为了提高自旋寿命做了大量的研究工作，其中有大量是在接近绝对零度的超低温下进行的，而在室温下实现长自旋寿命的成功研究非常少，这也使得自旋技术的发展受到很大的制约，实现室温下足够长的自旋寿命达到实用化要求的自旋动态存储时间，将给自旋技术带来一个新的飞跃。法国的X.Marie小组已经检测到了GaNAs体材料在室温下可以实现较长的电子自旋弛豫时间。而我们知道微腔的谐振增强效应可以进一步增大电子的自旋弛豫时间。但是到目前并没有实验组将这两种技术优势结合到一起。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种可实现自旋动态存储的器件结构，运用这种器件结构，可以实现较长的自旋动态存储时间。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种可实现自旋动态存储的器件，该器件包括从下到上依次生长的衬底10、缓冲层20和微腔结构30，且该微腔结构30包括从下到上依次生长的下反射镜31、有源区32和上反射镜33，该有源区32是由交替生长的镓氮砷321和砷化镓322构成，且所述有源区32中镓氮砷321和砷化镓322的生长位置在微腔结构30的波腹处。

上述方案中，所述有源区32中镓氮砷321和砷化镓322成对出现，其对数为3至6对。

上述方案中，所述有源区32中镓氮砷321和砷化镓322的生长厚度都为10纳米。

上述方案中，所述微腔结构30的下反射镜31由31对布拉格反射镜构成，上反射镜33由15对布拉格反射镜构成。

上述方案中，所述每一对布拉格反射镜由低折射率的砷化铝层和高折射率的砷化镓层构成。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于，通过将室温下具有长弛豫时间的镓氮砷材料置入微腔中作为有源区，利用微腔具有的强耦合机制，有效放大镓氮砷材料中电子的弛豫时间，为实现自旋的动态存储以及量子计算机的实现打下坚实的基础。需要强调的是，相对于大部分微腔型器件采用量子点或者量子阱作为有源区，本发明采用镓氮砷体材料作为有源区，使得有源区的吸收波段的调控更加方便灵活，增加了本器件结构的实用性。

附图说明

图1为本发明提供的可实现自旋动态存储的器件的结构示意图；

图2为依照本发明实施例的可实现自旋动态存储的器件的结构示意图；

图3为自旋弛豫时间测试曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种可实现自旋动态存储的器件，如图1所示，整个器件结构包括从下至上依次生长的衬底10、缓冲层20和微腔结构30；其中微腔结构30内的有源区32是由交替生长的镓氮砷321和砷化镓322组成，镓氮砷321和砷化镓322的对数为3至6对，有源区的吸收层太薄，不能对入射的光信号形成有效的吸收，有源区的吸收层太厚，则会影响器件的响应速度，因此经过反复试验将有源区32中镓氮砷321和砷化镓322设计为3至6对；并且有源区位于微腔的波腹处，波腹就是微腔内电磁场所形成驻波中振幅最大的位置，根据需要，可以在微腔内的多个波腹处分别生长由镓氮砷和砷化镓组成的有源区。微腔结构的上反射镜和下反射镜通常都是由很多对的布拉格反射镜(DBR)组成，每一对布拉格反射镜(DBR)可以由低折射率的砷化铝层和高折射率的砷化镓层组成，也可以由其它匹配的不同折射率的介质材料组成。

本发明提供的这种可实现自旋动态存储的器件，其原理是：当带有自旋信息的光(尤其是激光)入射到器件表面时，利用微腔结构特有的中心波长耦合机制，可以有效放大入射光在中心波长的入射吸收效率，并在微腔内形成强耦合状态，有源区通过增强吸收入射光将其带有的自旋态转化成电子的自旋态。由于在室温下镓氮砷材料本身就有较长的自旋弛豫时间，当镓氮砷作为有源区置于微腔结构的波腹时，微腔内光场和有源区激子态的强烈耦合将使得镓氮砷内电子的自旋弛豫时间进一步放大，可以达到实用化自旋动态存储器对自旋状态保持时间的要求。有源区内电子自旋信息的读出可以通过法拉第旋转或者克尔旋转探测读出，随后带有新的自旋信息的入射光可以让上述过程持续进行，从而完成自旋动态存储器的写入和读出过程。

如图2所示，为本发明的一个具体实施例，整个器件结构包括从下到上依次生长的砷化镓衬底、500纳米的砷化镓缓冲层和微腔结构，其中微腔结构内有源区是由交替生长的10纳米镓氮砷和10纳米砷化镓组成，镓氮砷和砷化镓的对数为4对，并且有源区位于微腔结构的中心波腹处，进一步地，微腔结构还包括位于有源区下方的108纳米的砷化镓和位于有源区上方的118纳米的砷化镓。108纳米的砷化镓、118纳米的砷化镓与有源区共同构成微腔结构的中心腔体部分。微腔结构的下反射镜由31对的布拉格反射镜(DBR)组成，上反射镜由15对的布拉格反射镜(DBR)组成，每一对布拉格反射镜(DBR)都由低折射率的90.7纳米的砷化铝层和高折射率的76.4纳米的砷化镓层组成。微腔的上下反射镜均是n型掺杂，以确保尽量小的内建电场，根据实际需要也可以不掺杂，这里需要强调的是，上下反射镜不应当采取不同的n型和p型掺杂，因为不同的掺杂方式引入的内建电场会给器件带来很大的不稳定性，而且p型掺杂引入的空穴也将对电子以及电子自旋态的稳定性带来很大干扰。

本发明实施例设计的微腔腔模在1064纳米，微腔样品上下反射镜中不同折射率的两层材料的生长厚度都应该使得其对应的光学长度为腔模的四分之一，所谓的光学长度就是材料的实际生长厚度与其折射率的乘积，本实施例器件上反射镜和下反射镜中砷化铝层和砷化镓层的厚度都是按照其对应的光学长度为中心波长1064纳米的四分之一设计的，上下反射镜之间的腔体光学长度设计为1064纳米，有源区对应的中心发光波长也在1064纳米。这是在微腔结构样品设计中的基本原则，那就是上下反射镜对应高反带的中心波长、腔体长度对应腔模的中心波长以及有源介质的发光波长要保持一致，这样才能真正地实现微腔的谐振增强作用。

在本实施例中，我们首次在砷化镓基微腔结构中交替生长镓氮砷和砷化镓构成有源区，利用微腔的谐振增强效应，实现光场与有源区激子态的强耦合，从而进一步实现电子自旋弛豫时间的增大，为电子自旋的动态存储技术提供一种方法。

下面介绍一下我们测试电子自旋弛豫时间的物理原理和实验技术。

把一个电子置于磁场中时就构成了一个典型的两能级系统或称双态系统，从经典物理的角度看，磁场中的电子自旋磁距随时间会有两种演变方式：1.电子磁距向顺磁的方向翻转，显而易见，磁场中这个过程需要释放能量到晶格中，系统与环境的能量交换，主要是通过各种散射过程实现的。这个过程称为自旋的纵向顺磁驰豫过程，通常用时间常数T₁来表征；2.转动过程是因为磁场对电子磁距作用使之产生力矩，使得角动量改变方向，这个自旋退相过程称为横向自旋驰豫，通常用时间常数T₂来表征。本发明中就是通过测试横向自旋驰豫时间T₂来判断器件的自旋性能。

测试横向自旋驰豫时间T₂采用的实验技术是时间分辨克尔泵浦探测技术。所谓泵浦探测技术就是首先利用一束光做为泵浦光去激发待测样品，通过材料的带间吸收使得导带和价带中的电子、空穴布居形成重新分布，从而相应的改变材料的光学性质如折射率等；然后再利用另外一束探测光去探测样品，通过观察测量它的反射或透射光的变化情况，就可以相应得到载流子的分布情况和相应的动力学过程。通过调节两束光之间的时间延迟，就可以记录下在样品表面不同时刻的不同变化状态；如同拍电影一样，从而在扫描时间内得到一个完整的载流子集居变化过程。本实施例选取一种圆偏振光作为器件的泵浦光，泵浦激光的波长不能长于镓氮砷体材料的发光峰，否则将不能对镓氮砷体材料实现激发，同时泵浦激光要绕开微腔的高反带以便有效入射进入腔内，最理想的就是泵浦激光的波长与微腔结构的中心波长保持一致。对器件施加一个圆偏振激光脉冲激发后，利用另外一束探测光检测镓氮砷体材料发光峰相应圆偏振光的荧光强度随时间的变化曲线，可以推断出电子自旋的弛豫时间。计算方法为测试自旋弛豫时间通用的拟合公式，如下：

θ_k＝Acos(vBt)*exp(-t/T₂)

其中θ_k表示克尔旋转角度，A为常数，t为时间，B为实验测试过程的调制磁场强度，v是一系列物理常量的综合，T₂就是器件的横向自旋驰豫时间。

图3是利用泵浦探测技术得到的实验曲线，为克尔旋转与时间对应的变化关系。实验采用的泵浦激光波长为1064纳米，激光功率为5mW，探测激光波长仍为1064纳米，激光功率为0.5mW，调制磁场强度为2T。利用计算机拟合上述实验曲线，可以得到本实施例器件的横向自旋弛豫时间T₂为18纳秒，这是目前在砷化镓基材料上实现的最长的横向自旋弛豫时间，并且能够满足在自旋动态存储器件上的应用。

虽然当前的半导体材料生长技术(比如MOCVD和MBE)已经可以将材料的生长精度准确到纳米，但是在实际的生长过程中，复杂的器件结构以及长的生长时间还是会导致最终的器件结构有误差。对于微腔类型的器件结构，很重要的一点就是腔模与有源区的发光峰要一致，目前普遍的做法是，在微腔生长过程中的某一段时间停止旋转形成腔体厚度的自然梯度，然后通过在整个生长样品上选取不同的点来寻找腔模与量子阱发光峰匹配较好的位置。制备出高质量精确匹配的微腔量子阱器件结构，将大大有助于本发明设计器件功能的实现。

本发明通过将室温下具有长弛豫时间的镓氮砷材料置入微腔中作为有源区，利用微腔具有的强耦合机制，实现光场和有源区激子态的强耦合状态，从而有效放大镓氮砷材料中电子的弛豫时间，这将为制造出实用化的自旋动态存储器以及未来的量子计算机打下坚实的基础。相对于大部分微腔型器件采用量子点或者量子阱作为有源区，本发明采用镓氮砷体材料作为有源区，使得有源区的吸收波段的调控更加方便灵活，增加了本器件结构的实用性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可实现自旋动态存储的器件，其特征在于，该器件包括从下到上依次生长的衬底(10)、缓冲层(20)和微腔结构(30)，且该微腔结构(30)包括从下到上依次生长的下反射镜(31)、有源区(32)和上反射镜(33)，该有源区(32)是由交替生长的镓氮砷(321)和砷化镓(322)构成，且所述有源区(32)中镓氮砷(321)和砷化镓(322)的生长位置在微腔结构(30)的波腹处。

2.根据权利要求1所述的可实现自旋动态存储的器件，其特征在于，所述有源区(32)中镓氮砷(321)和砷化镓(322)成对出现，其对数为3至6对。

3.根据权利要求1所述的可实现自旋动态存储的器件，其特征在于，所述有源区(32)中镓氮砷(321)和砷化镓(322)的生长厚度都为10纳米。

4.根据权利要求1所述的可实现自旋动态存储的器件，其特征在于，所述微腔结构(30)的下反射镜(31)由31对布拉格反射镜构成，上反射镜(33)由15对布拉格反射镜构成。

5.根据权利要求4所述的可实现自旋动态存储的器件，其特征在于，所述每一对布拉格反射镜由低折射率的砷化铝层和高折射率的砷化镓层构成。

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