CN110176533A - 一种光响应的自旋电子器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种光响应的自旋电子器件及其制备方法，属于自旋电子功能器件技术领域。所述光响应的自旋电子器件，包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性薄膜、半导体薄膜和重金属电极。本发明自旋电子器件，基于“磁性薄膜/半导体薄膜/重金属电极”异质结构，通过在磁性薄膜与重金属电极之间增加半导体光响应层，使自旋电子器件中的自旋流输运过程具备响应外界光照作用的能力。当光照射自旋电子器件时，会在半导体薄膜中产生光生载流子，改变“磁性薄膜/半导体薄膜/重金属电极”界面阻抗匹配，实现对自旋流从磁性层向半导体薄膜注入效率的调节；同时，光生载流子浓度影响自旋扩散长度，改变逆自旋霍尔电压信号，实现逆自旋霍尔电压对光照强度的检测。

Description

一种光响应的自旋电子器件及其制备方法
技术领域
本发明属于新型自旋电子功能器件技术领域，具体涉及一种光响应的自旋电子器件结构及其制备方法。
背景技术
随着量子信息技术的快速发展，传统的材料和器件架构很难满足低功耗、室温量子芯片应用的需求。电子自旋作为信息载体具有能耗低、动量化及量子化输运属性，是实现量子芯片的重要科学途径。长期以来，自旋电子器件多基于“磁性/非磁性”多层薄膜体系，或者“磁性/非磁性重金属”异质结体系的自旋输运和自旋动力学效应。自旋电子输运特别关注自旋流和电流的转换及相关磁电阻效应，例如自旋霍尔效应(Spin Hall Effect)、量子自旋霍尔效应(Quantum Spin Hall Effect)、隧穿磁电阻(TunnelMagnetoresistance)、自旋霍尔磁电阻(Spin Hall Magnetoresistance)等；自旋动力学则关注电子自旋的动力学过程，频率范围目前主要集中在微波-太赫兹波范围(300MHz～30THz)。但是，具有红外波段-可见光-紫外波段光响应的自旋电子器件鲜有报道，红外波段-可见光-紫外波谱范围的光电器件一直是人类研究的热点方向，因此，急需寻找一种具有光响应的自旋电子器件，该自旋电子器件的光响应特征主要体现在：光照改变自旋电子的物理属性过程，包括自旋电子输运和自旋动力学两方面的影响作用。
以自旋泵浦过程为例，传统的自旋器件包括“磁性/非磁性重金属”双层结构，在微波的激励下，磁性层的磁矩进动产生自旋流泵浦进入非磁性重金属层中，由逆自旋霍尔效应(ISHE)产生直流电压信号，逆自旋霍尔电压信号的强度取决于非磁性重金属的自旋霍尔角、非磁性层厚度和界面阻抗匹配等因素。然而，这些重金属均是无光电响应的材料，无法实现自旋电子器件对光的响应。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种光响应的自旋电子器件及其制备方法。本发明通过增加半导体光响应层，使得自旋电子器件中的自旋流输运过程具备响应外界光照作用的能力，一方面可以利用光对自旋流输运和动力学物理过程实现调控，另一方面实现自旋流对光信号的感知。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种光响应的自旋电子器件，基于“磁性薄膜/半导体薄膜/重金属电极”自旋异质结构，包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性薄膜、半导体薄膜和重金属电极。
进一步地，所述半导体薄膜的厚度为1nm～0.2μm，需小于半导体的自旋扩散长度。
进一步地，所述衬底为钆镓石榴石(GGG)单晶基片、硅(Si)单晶基片等。
进一步地，所述磁性薄膜可以为铁磁性金属，如Fe、Co、Ni以及它们的合金；可以为亚铁磁性绝缘体，如石榴石铁氧体、尖晶石铁氧体或磁铅石铁氧体等；也可以为磁性半导体，如砷锰镓(GaMnAs)等。其中，亚铁磁绝缘体的高电阻性使得电荷流的传导几乎为零，可以有效避免焦耳热的产生，实现低功耗自旋电子器件。
进一步地，所述半导体薄膜可以为硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、石墨烯、二硫化钼(MoS2)、钙钛矿光伏薄膜、以及氧化物半导体(TiO2、Ga2O3、BiFeO3等)等。
进一步地，所述光响应的自旋电子器件中，半导体薄膜中可掺杂一定量的杂质元素，通过应力作用使得半导体能带结构发生变化。
进一步地，所述光响应的自旋电子器件中，可通过控制半导体薄膜中杂质元素的掺杂量，调控半导体薄膜层的自旋霍尔角大小和自旋扩散长度。
进一步地，所述光响应的自旋电子器件中，可通过控制半导体薄膜的相结构，调控半导体薄膜层的自旋霍尔角大小和自旋扩散长度。
进一步地，所述重金属电极为具有大的自旋霍尔角(强自旋流和电流之间的转化能力)的材料，可以是Pt、W、Ta、Bi等单质，也可以是它们的化合物，例如Bi2Te3等。
进一步地，所述磁性薄膜的厚度为1nm～10μm。
进一步地，所述重金属电极的厚度为1～100nm。
本发明还提供了上述光响应的自旋电子器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射、蒸发、液相外延、激光脉冲沉积或分子束外延等方法在衬底上生长磁性薄膜；
步骤2、采用分子束外延、化学气相沉积或磁控溅射等方法在步骤1得到的磁性薄膜层上生长半导体薄膜；
步骤3、采用磁控溅射、蒸发等方法，在步骤2得到的半导体薄膜上生长重金属电极；
步骤4、通过光刻工艺加工电极形状，完成器件制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出的一种光响应的自旋电子器件，基于“磁性薄膜/半导体薄膜/重金属电极”自旋异质结构，通过在磁性薄膜与重金属电极之间增加半导体光响应层，使得自旋电子器件中的自旋流输运过程具备响应外界光照作用的能力。当光照射自旋电子器件时，会在半导体薄膜中产生光生载流子，改变“磁性薄膜/半导体薄膜/重金属电极”界面的阻抗匹配，从而实现对自旋流从磁性层向半导体薄膜注入效率的调节；同时，光生载流子浓度影响了自旋扩散长度(自旋电子相关散射变化)，进而改变逆自旋霍尔电压信号，实现了逆自旋霍尔电压对光照强度的检测。
2、本发明提供的“磁性薄膜/半导体薄膜/重金属电极”的光响应自旋电子器件，在自旋光电子器件、磁光集成和量子信息领域有极大的应用前景。与传统自旋电子器件相比，本发明光响应自旋器件具有光感知能力和更好的半导体工艺兼容性；与传统半导体光电器件相比，本发明光响应自旋器件具有能耗更低和自旋维度耦合等优势。
附图说明
图1为本发明提供的一种光响应的自旋电子器件的结构示意图；
图2为本发明提供的一种光响应的自旋电子器件的激光功率与逆自旋霍尔电压峰位的关系图；
图3为本发明提供的一种光响应的自旋电子器件在不同激光功率下逆自旋霍尔电压与外磁场强度的关系。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明提供的一种光响应的自旋电子器件的结构示意图；所述光响应的自旋电子器件包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性薄膜、半导体薄膜和重金属电极。
具体地，一种基于光响应的自旋电子器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用液相外延技术在钆镓石榴石(GGG)单晶衬底上生长钇铁石榴石(YIG)磁性薄膜，得到高质量的磁性绝缘薄膜，厚度为1微米；
步骤2、采用分子束外延方法(MBE)在步骤1处理后得到的基底上生长锗(Ge)薄膜；
步骤3、采用磁控溅射法在步骤2得到的锗(Ge)薄膜上生长一层10nm的金属铂(Pt)；
步骤4、通过光刻工艺，加工出电极形状，完成器件制备。
进一步地，步骤2的具体过程为：首先，在10-9Torr以下的真空环境下，以3～5℃/min的升温速率将镀有双面优质YIG的GGG基片加热到300～400℃，并保持40～60min，以去除其表面附着的气体与杂质；然后，在10-9Torr以下的真空环境下，以6～8℃/min的升温速率将锗源升温至1000～1200℃；打开锗源挡板，待束流稳定后，打开基片挡板，沉积10～100min后关闭基片挡板；最后，关闭基片挡板、锗源挡板，再以2～4℃/min的速率将基片温度降至室温后取出，得到所述锗薄膜。
进一步地，所述锗源的纯度不低于99.999wt％。
进一步地，步骤3所述金属铂电极层的制备过程具体为：将步骤2处理后的基片放置于磁控溅射设备的真空腔室内，抽真空至10-5Pa以下，通入氩气作为工作气体，以铂靶为溅射靶材，在溅射功率为20W、工作气压为0.3Pa、氩气流量为15sccm的条件下进行溅射，溅射时间为30s，溅射完成后，关闭铂靶的挡板及铂靶的电源。
实施例1
一种光响应的自旋电子器件，包括钆镓石榴石(GGG)单晶衬底，以及依次生长于衬底之上的钇铁石榴石(YIG)、锗半导体和铂电极。
上述“YIG/Ge/Pt”光响应自旋电子器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用液相外延技术在钆镓石榴石(GGG)单晶衬底上生长钇铁石榴石(YIG)磁性绝缘薄膜，得到高质量的YIG薄膜，厚度为1微米；
步骤2、采用分子束外延方法在步骤1处理后得到的磁性绝缘YIG上生长锗薄膜；
2.1在10-9Torr以下的真空环境下，以3℃/min的升温速率将镀有双面优质YIG的GGG基片加热到400℃，并保持60min，以去除其表面附着的气体与杂质；
2.2在10-9Torr以下的真空环境下，以6℃/min的升温速率将锗源升温至1200℃；
2.3打开锗源挡板，待束流稳定后，打开基片挡板，沉积30分钟后关闭基片挡板；
2.4关闭基片挡板、锗源挡板，再以4℃/min的速率将基片温度降至室温后取出，得到所述锗薄膜；
步骤3、制备铂电极层：
将步骤2处理后的基片放置于磁控溅射设备的真空腔室内，抽真空至10-5Pa以下，通入氩气作为工作气体，以铂靶为溅射靶材，在溅射功率为20W、工作气压为0.3Pa、氩气流量为15sccm的条件下进行溅射，溅射时间为30s，溅射完成后，关闭铂靶的挡板及铂靶的电源。
步骤4、将步骤3得到的样品光刻制备图形化电极。
实施例2
一种光响应的自旋电子器件，包括硅单晶衬底，以及依次生长于硅单晶衬底之上的镍铁合金薄膜(NiFe)、锗半导体和铂电极。
上述“NiFe/Ge/Pt”光响应自旋电子器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射在硅单晶衬底上生长NiFe合金薄膜，得到高质量的NiFe薄膜，厚度为100纳米；
步骤2、采用分子束外延方法在步骤1处理后得到的NiFe合金薄膜上生长锗薄膜；
2.1在10-9Torr以下的真空环境下，以3℃/min的升温速率将镀有NiFe合金薄膜的基片加热到400℃，并保持60min，以去除其表面附着的气体与杂质；
2.2在10-9Torr以下的真空环境下，以6℃/min的升温速率将锗源升温至1200℃；
2.3打开锗源挡板，待束流稳定后，打开基片挡板，沉积30分钟后关闭基片挡板；
2.4关闭基片挡板、锗源挡板，再以4℃/min的速率将基片温度降至室温后取出，得到所述锗薄膜；
步骤3、制备铂电极层：
将步骤2处理后的基片放置于磁控溅射设备的真空腔室内，抽真空至10-5Pa以下，通入氩气作为工作气体，以铂靶为溅射靶材，在溅射功率为20W、工作气压为0.3Pa、氩气流量为15sccm的条件下进行溅射，溅射时间为30s，溅射完成后，关闭铂靶的挡板及铂靶的电源。
步骤4、将步骤3得到的样品光刻制备图形化电极。
实施例3
一种光响应的自旋电子器件，包括砷化镓单晶衬底，以及依次生长于砷化镓单晶衬底之上的砷锰镓(GaMnAs)薄膜、锗半导体和铂电极。
上述“GaMnAs/Ge/Pt”光响应自旋电子器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用分子束外延方法在砷化镓单晶衬底上生长GaMnAs磁性半导体薄膜，得到高质量的GaMnAs薄膜，厚度为500纳米；
步骤2、采用分子束外延方法在步骤1处理后得到的GaMnAs磁性半导体薄膜上生长锗薄膜；
2.1在10-9Torr以下的真空环境下，以3℃/min的升温速率将镀有GaMnAs磁性半导体薄膜的基片加热到300℃，并保持60min，以去除其表面附着的气体与杂质；
2.2在10-9Torr以下的真空环境下，以6℃/min的升温速率将锗源升温至1000℃；
2.3打开锗源挡板，待束流稳定后，打开基片挡板，沉积30分钟后关闭基片挡板；
2.4关闭基片挡板、锗源挡板，再以4℃/min的速率将基片温度降至室温后取出，得到所述锗薄膜；
步骤3、制备铂电极层：
将步骤2处理后的基片放置于磁控溅射设备的真空腔室内，抽真空至10-5Pa以下，通入氩气作为工作气体，以铂靶为溅射靶材，在溅射功率为20W、工作气压为0.3Pa、氩气流量为15sccm的条件下进行溅射，溅射时间为30s，溅射完成后，关闭铂靶的挡板及铂靶的电源。
步骤4、将步骤3得到的样品光刻制备图形化电极。
实施例4
一种光响应的自旋电子器件，包括钆镓石榴石(GGG)单晶衬底，以及依次生长于衬底之上的钇铁石榴石(YIG)、二硫化钼(MoS2)半导体和铂电极。
上述“YIG/MoS2/Pt”光响应自旋电子器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用激光脉冲沉积技术在钆镓石榴石(GGG)单晶衬底上生长钇铁石榴石(YIG)磁性绝缘薄膜，得到高质量的YIG薄膜，厚度为100纳米；
步骤2、采用转移方法在步骤1处理后得到的磁性绝缘YIG上制备MoS2薄膜；
2.1在CVD生长的MoS2薄膜上旋涂PMMA，转速3000rpm，时间60s；
2.2在100℃下烘干；
2.3将MoS2/PMMA放入1mol/L的NaOH溶液中，在100℃下浸泡20min；
2.4用玻璃片将悬浮的MoS2薄膜捞出，转移到去离子水中，重复该过程直至洗掉腐蚀液残留物；
2.5用单晶YIG薄膜将去离子水中悬浮的MoS2薄膜捞出，100℃烘干；
2.6样品放入丙酮和异丙醇中去掉PMMA，用去离子水冲洗干净；
2.7烘干得到YIG/MoS2薄膜；
步骤3、制备铂电极层：
将步骤2处理后的基片放置于磁控溅射设备的真空腔室内，抽真空至10-5Pa以下，通入氩气作为工作气体，以铂靶为溅射靶材，在溅射功率为20W、工作气压为0.3Pa、氩气流量为15sccm的条件下进行溅射，溅射时间为30s，溅射完成后，关闭铂靶的挡板及铂靶的电源。
步骤4、将步骤3得到的样品光刻制备图形化电极。
实施例5
本实施例与实施例1相比，区别在于：将锗半导体换为锗锡；通过掺杂锡(Sn)引起了应力的改变，进而使半导体薄膜从间接带隙半导体变为直接带隙半导体，其余制备方法与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1相比，区别在于：将锗半导体换为砷化镓；其余制备方法与实施例1相同。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非用于限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。
本发明提供了一种光响应的自旋电子器件，通过在磁性薄膜与重金属电极之间增加半导体光响应层，使得自旋泵浦自旋流进入半导体的过程能够响应外界的光照作用，光的波长依据半导体的光响应波谱范围，可涵盖红外波-可见光-紫外波段。需要注意的是，半导体的厚度应低于材料的自旋扩散长度，这样，重金属电极可探测到半导体中自旋相关的电压信号，且这一自旋相关电压信号具有光响应的效果。
本发明利用光对电子自旋输运和动力学属性的调控作用，提出了具有光响应的自旋器件，将在光电集成芯片、自旋光子耦合器件、磁光器件、自旋量子器件等领域发挥重要作用。

Claims (8)

1.一种光响应的自旋电子器件，包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性薄膜、半导体薄膜和重金属电极，其中，所述半导体薄膜的厚度小于半导体的自旋扩散长度。
2.根据权利要求1所述的光响应的自旋电子器件，其特征在于，所述半导体薄膜的厚度为1nm～0.2μm。
3.根据权利要求1所述的光响应的自旋电子器件，其特征在于，所述衬底为钆镓石榴石单晶基片或硅单晶基片。
4.根据权利要求1所述的光响应的自旋电子器件，其特征在于，所述磁性薄膜为铁磁性金属、亚铁磁性绝缘体或磁性半导体。
5.根据权利要求1所述的光响应的自旋电子器件，其特征在于，所述磁性薄膜为Fe、Co、Ni以及它们的合金、石榴石铁氧体、尖晶石铁氧体、磁铅石铁氧体或砷锰镓。
6.根据权利要求1所述的光响应的自旋电子器件，其特征在于，所述半导体薄膜为硅、锗、砷化镓、石墨烯、二硫化钼、钙钛矿光伏薄膜或氧化物半导体。
7.根据权利要求1所述的光响应的自旋电子器件，其特征在于，所述重金属电极为Pt、W、Ta、Bi单质，或者Pt、W、Ta、Bi的化合物。
8.一种光响应的自旋电子器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射、蒸发、液相外延、激光脉冲沉积或分子束外延法在衬底上生长磁性薄膜；
步骤2、采用分子束外延、化学气相沉积或磁控溅射法在步骤1得到的磁性薄膜层上生长半导体薄膜；
步骤3、采用磁控溅射或蒸发法，在步骤2得到的半导体薄膜上生长重金属电极；
步骤4、通过光刻工艺加工电极形状，完成器件制备。
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