CN111819745B - 用于注入自旋极化的电荷载流子并反射光的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于注入自旋极化电子并反射光的装置(2)，该装置(2)包括至少一个具有多个凹槽(4)的格子结构(3)，其中该格子结构(3)被设计为用于反射光，并且其中在至少一些凹槽(4)中布置有用于注入自旋极化电子的相应注入触头(5、6)。

Description

用于注入自旋极化的电荷载流子并反射光的装置

本发明涉及一种用于注入自旋极化的电荷载流子并反射光的装置。该装置尤其可以用为表面发射激光二极管的自旋注射器。本发明还涉及一种具有这种装置的配置及其操作方法。该配置尤其可以是具有谐振器的发光部件，例如激光器或谐振LED。该配置尤其可以被称为“具有空腔的装置”。通过因特网不断增长的全球网络要求更高的数据传输速率。要传输的数据量的很大一部分发生在数据中心内的服务器之间，因此，数据量的很大一部分仅需要在相对短的距离上传输。特别地，这种类型的数据有利于利用光学传输。用于短距离(例如，数据中心内服务器之间的距离)光学数据传输的激光器理应价格便宜、体积小巧且调制迅速。为此目的，在常规系统中使用强度调制激光器。

作为调制激光强度的替代方法，可以调制激光的偏振，例如，改变其偏振使得偏振的变化反映出要传输的信息。如果将调制器集成在发射激光器中，则在尺寸和调制速度方面有利。

可以通过半导体激光器中电荷载流子的自旋取向来控制激光的偏振。偏振调制可以比强度调制更快地进行，因为由材料和几何参数确定并分配给偏振调制系统的谐振频率可以高于强度调制系统的谐振频率。特别地，这可以通过使激光材料的双折射最大化来实现。

利用电荷载流子的自旋特性来控制激光的偏振的激光器在这里被称为自旋激光器。利用电荷载流子的自旋特性的所谓垂直空腔表面发射激光器，在文献中简称为VCSEL，被称为自旋垂直腔表面发射激光器，或简称为自旋VCSEL，其德语为Spin- Laser。

Jeongsu Lee和Igor Zutic于2012年出版的出版物“自旋电子学将手臂伸向激光器”(“Spintronics stretches its arms to lasers”by Jeongsu Lee and Igor Zutic”)描述了一种自旋VCSEL，其中激光器具有常规结构，该结构具有一个有源区域，该区域设置在两个相对的布拉格反射镜之间，在技术文献中也称其为分布式布拉格反射器(DBR)。相对的DBR形成激光谐振器。在这种配置中，自旋极化电子通过一种隔离物引入有源区域，该隔离物将有源区域与DBR分开。自旋极化的电荷载流子的自旋状态通过合适的磁性自旋注入触头磁化，或者通过在磁性传输层中的对准来确定。通过外部磁场进行对准亦可。合适的自旋注入触头通常基于铁或顺磁性金属层，通过隧道过程将自旋极化的电荷载流子从该金属层注入到激光器的非磁性半导体层中。如果自旋极化的电子与去极化的空穴复合，则电子的自旋极化将决定光场的圆极化。以这种方式，所产生的光子的圆极化方向，即发射极化，可以通过引入有源区域的电子的自旋极化方向来确定。在某些材料中，空穴旋转会缓慢移相。在这方面，将通过示例理解自旋极化电子和非极化空穴的使用。电子和空穴可以用作电荷载流子。

自旋极化的电子具有以下特性：如果到达激光谐振器有源区域的路途过长，则电子的自旋会在途中丢失，也就是说，电子进入有源区域的传输路径会比所谓的自旋松弛长度更长。自旋松弛长度还取决于温度和输送路径区域中的潜在磁场，其中低温和相应的极化磁场会延长自旋松弛长度。因此，电子自旋极化的常规应用使用非常低的温度，例如几十mK，和/或多个特斯拉的强磁场来扩展自旋弛豫长度，使得电子的自旋极化在传输路径上尽可能长时间地保留。在许多实际应用场合下无法实现如此低的温度和如此强的磁场。

为确保电子与空穴复合时产生的光场被极化，自旋极化电子的自旋在传输路径上不能遗失，直到二者复合。因此，短途传输路径是有效运作的首选。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明，其中：

图1是配置的第一实施例的示意性截面图，该配置具有用于注入自旋极化电子和用于反射光的装置，

图2是图1的配置的示意性平面图，以及

图3是配置的第二实施例的示意性截面图，该配置具有用于注入自旋极化电子并用于反射光的装置。

具体实施方式

所描述的装置可以用于一种配置中，特别是用于配置中，用于注入如电子、空穴等自旋极化的电荷载流子，以及用于光的反射。以下是基于注入自旋极化空穴的实施例。

由此可将自旋极化的电子注入到配置的有源区域中，使得电子必须在整个有源区域上均匀地、沿特别短的路径行进，以与空穴复合并因此产生光。因此，所述配置也可以以特别短的自旋弛豫长度并且因此在相对较高的温度和/或较低的外部磁场下工作。甚至有可能完全省去外部磁场。

图1是配置1的第一实施例的示意性截面图，该配置1具有用于注入自旋极化电子并用于反射光的装置2。配置1优选使用半导体材料，使得配置1也可以被称为半导体配置和/或激光二极管。图1所示的配置1是包括所述装置的配置的优选实施例。该配置通常可以是具有谐振器的发光部件。除了配置之外，这也可以是例如，谐振LED。特别地，该配置可以被称为“具有空腔的装置”。

通过使配置1的有源区域12中的电子和空穴复合，可以由配置1产生激光。在复合期间，通过释放的能量产生光子。特别地，有源区域12可以设计为p-n结。激光在p型掺杂区和n型掺杂区之间的接合处产生。例如，考虑p-GaA和n-GaA作为有源区域12的材料。配置1产生的激光的波长可以通过有源区域12的材料的选择和/或材料的掺杂来确定。

在有源区域12中产生的光子被布置在有源区域12下方的反射镜11和布置在有源区域12上方的装置2反射，该装置特别用于反射光。根据激光原理，生成的光子的这种反射会导致其他光子的感应发射。由此，在有源区域12中产生激光。装置2在有源区域12上方的布置和反射镜11在有源区域12下方的布置是示例性的。配置1可以根据需要定向。特别地，装置2也可以布置在有源区域12下方，并且反射镜11可以布置在有源区域12上方。

反射镜11优选设计为布拉格反射镜。所谓的分布式布拉格反射器(DBR)是特别合适的。优选地，布拉格反射镜包括多层，它们整体上反射所产生的光。所述层优选地由半导体材料形成。优选地，选择材料，以使具有第一折射率和第二折射率的层交替。例如，GaA层和AlGaA层可以交替布置。层厚度优选等于在所有层中将被反射的光的波长的四分之一，使得光的反射可以以布拉格反射的方式发生。替代地，反射镜也可以设计成金属反射镜。

装置2包括至少一个具有多个凹槽4的格子结构3。在这里描述的实施例中，其布置在有源区域12上并且与反射镜11相对，使得晶格结构将在有源区域中产生的光子至少部分地反射回到有源区域中。与相对的反射镜，即反射镜11相互作用，晶格结构因此形成激光谐振器。图1示出了在格子结构3的各部分之间形成的四个凹槽4。格子结构3优选地由半导体材料和/或金属构成。

从图2所示的图1的配置1的俯视图可以看出，在一个实施例中，格子结构3是矩形的。这意味着凹槽4是矩形的，并且沿着直线、垂直线或平行线布置和对准。凹槽4优选全部具有相同的形状和/或延伸部分。优选地，相邻凹槽之间的距离全部相同的尺寸。

凹槽4越小，光在格子结构3上的反射越好。优选地，格子结构3中的凹槽4的长度14小于反射光的波长，尤其是小于反射光的波长的一半。凹槽4的长度14应理解为凹槽4在横向于格子结构3的平面内的最大延伸部分。这是图2所示的长度。通过在格子结构3中的这种小的凹槽4，光能够特别好地被反射。

格子结构也可以与图中所示设计不同。特别地，认为格子结构仅是一维的。这意味着凹槽沿着平行线仅在一个方向上布置，而在横向于该方向的方向上不设置凹槽。这样的实施例也可以描述为一个方向上的格子周期数是1。格子结构也可能不设计成直角结构，而是设计成环形结构。

有源区域12、反射镜11和装置2优选地被设计为具有各自的晶格结构的固体。晶格结构将与这里描述的格子结构3需要加以区分。有源区域12、反射镜11和装置2的格子结构可以不同。特别地，为了避免由这种格子失配引起的张力，可以在有源区域12与反射镜11之间和/或有源区域12与装置2之间设置相应的匹配层10，如图1的示例所示。匹配层10优选地由半导体材料形成。匹配层10尤其也可以被称为“相位匹配层”。如果描述到将电子注入到有源区域中，这也意味着如果存在匹配层10，则电子通过匹配层10注入到有源区域12中。在有源区域12中产生的光子在被反射镜11反射之前穿过匹配层10，然后在反射镜11处被反射，再次穿过匹配层10，使得光子返回到有源区域12中。

匹配层10与有源区域12一起形成配置的谐振器并且具有总光学厚度n*d，其优选地大致对应于发射波长。有源区域12的位置也不必在谐振器的中心。

匹配层10不必与有源区域12、装置2和/或反射镜11清楚地分开。在匹配层10和装置2、有源区域12和/或反射镜11之间也可以存在平滑的接合。如果没有设置匹配层10，则有源区域12也可以平稳地流入装置2和/或反射镜11。例如，反射镜11也可以具有有助于产生激光的掺杂。

可选地，匹配层10与有源区域12、装置2和/或反射镜11优选清楚地分开。如果没有设置匹配层10，则优选有源区域12与装置2和/或反射镜11清楚地分开。

装置2还被设计和设置成用于将电子注入到有源区域12中。特别地，电子可以是自旋极化的。这意味着注入的电子的自旋取向在两个可能的自旋状态“上”和“下”之间分布不均匀，但是其中一个自旋状态占主导。因此，注入的电子整体在该自旋状态下被自旋极化。在所描述的配置1中，电荷载流子系统的自旋极化，即电子，可以用来影响所产生的光的极化，从而影响光的性质。尤其可以通过建立和分解自旋极化来影响光的偏振。为此，可以在例如上下旋转之间或在旋转极化和非极化情况之间切换。自旋极化的电子可以通过注入触头5、6，并且可选地经由匹配层10注入到有源区域12中。为此，至少在格子结构3的一些凹槽4中布置相应的注入触头5、6。如在图1的示例中所示，优选在每个凹槽4中布置相应的注入触头5、6。

如图1的示例中所示，注入触头5、6可以具有相应的金属层7。金属层7可以由例如金、铬和/或铝形成。注入触头5、6可以经由金属层7相接触，例如经由相应的供应管线接触。所有注入触头5、6可以接触在一起。可替代地，单个的注入触头5、6或成组的注入触头5、6可以被单独地接触。金属层7也可以用来保护下面的层。由此，金属层7也可以称为“盖层”。

至少一些注入触头5、6优选地包括相应的铁磁层8。所有注入触头5、6优选地包括相应的铁磁层8。由多个子层组成的层结构可以用作铁磁层8。这种层结构在此应理解为铁磁层8。例如，铁磁层8可以被设计为Fe/Tb，Fe/Pt，Co/Pt和/或Co/Ni的多层序列，或者被设计为例如与FeTb和/或CoFeB的合金。铁磁层8可以由例如铁和/或铽形成。

电子可以被铁磁层8极化。如果将非自旋极化的电子引入铁磁层8，则铁磁层8的磁化可优选地允许一种自旋取向的电子穿过并保持另一种自旋取向的电子。在简化模型中，这可以通过以下事实进行描述：铁磁层8对于两个自旋取向的电子具有不同的欧姆电阻。

优选地，铁磁层8具有垂直于铁磁层8取向的磁化。该磁化也可以被称为“面外”磁化。特别是在由稀土和过渡金属组成的多层系统或混合系统的情况下，这种定向磁化非常易于设定。对于尺寸适宜的层，特别是在层厚方面，“面外”磁化可自发发生。因此永久的外部磁场得以消除，这改善了配置1的实际可用性。

更优选地，至少一些注入触头5、6包括相应的隧道势垒9。所有注入触头5、6优选地包括各自的隧道势垒9。特别地，隧道势垒9可以由诸如MgO或Al2O3的氧化物形成。从铁磁层8到配置1的有源区域12中的自旋注入会导致相当大的自旋极化损失，特别是在铁磁层8和相邻的半导体材料之间的界面处。特别地，半导体材料可以是有源区域12或匹配层10的一部分。特别地，这种自旋极化的损失可能是由于铁磁材料和半导体材料的电导率之间的较大差异。这种自旋极化的损失可以通过隧道势垒9来减少或完全避免。

作为隧道势垒9的替代或补充，所使用的材料的固有特性也可以用于形成势垒。优选地，至少一些装置2的注入触头5、6被设计为相应的肖特基触头。注入触头5、6形成为肖特基触头可以取决于相邻半导体材料(例如，匹配层10或有源区域12)的材料特性，特别是取决于其能带结构。在这方面，当装置2用于特定配置1时，形成了所述装置2中的肖特基触头。

所有注入触头5、6优选地被设计为肖特基触头。替代地，所有注入触头5、6优选地具有相应的隧道势垒9。然而，也可能仅一些注入触头5、6具有隧道势垒9，将另一些注入触头5、6设计为肖特基触头，和/或另一部分注入触头5、6设计为没有势垒。

自旋极化电子可以通过注入触头5、6注入到配置1的有源区域12中。例如，空穴可以通过一个或多个匹配触头注入到有源区域12中。匹配触头未在图中示出。金属电极特别适合作为匹配触头。

通过将自旋极化的电子注入到有源区域12中，可以在其中产生极化光。在所描述的配置1中，注入触头5、6和有源区域12之间的路径可以特别短，因为电子是通过配置1的反射器之一注入的，因此非常靠近有源区域12。在这里描述的实施例中，自旋极化电子必须穿过匹配层的厚度才能到达有源区域12。因此，从自旋极化电子到有源区域的距离比常规配置中短得多。注入和光产生之间的短路径可以防止电子在到达有源区域12之前失去自旋极化。如果电子在到达有源区域12之前失去了自旋极化，则这些电子将不会产生偏振光。在此处，电子在损失原始自旋极化的50％时可以行进的路径称为自旋松弛长度。注入触头5、6与有源区域12之间的距离优选小于自旋松弛长度。特别地，自旋松弛长度可以取决于温度和/或磁场强度。由于注入触头5、6和有源区域12之间的距离很小，可以选择较高的激光操作温度，因为相对较小的自旋弛豫长度足以将电子在维持其自旋极化的同时将其转移到有源区域中。因此，即使处于相比例如多个特斯拉处的几十mK下，都更易于获得的温度和磁场强度下，也可以使用所述的配置1。例如，配置1可以在室温下使用并且没有外部磁场。

特别地，配置1可以使用以下方法来操作，在该方法中，自旋极化的电子经由注入触头5、6注入到配置1的有源区域12中，并且通过电子的自旋极化来控制由配置1产生的激光的偏振。以这种方式产生的激光尤其可以用于信息的传输。该信息可以通过电子极化来编码，并且因此通过由配置1产生的光的偏振来编码。

通过注入电子特定的自旋极化可以获得所产生的光的特定偏振。图1所示的实施例包括设计不同的注入触头5、6。第一注入触头5可以具有第一磁场方向，并因此产生和注入自旋向上的电子。然后，第二注入触头6具有与第一注入触头磁场相反的磁场方向，从而可以产生并注入自旋向下的电子。这允许整个电荷载流子系统，即电子，在上下自旋之间切换。这导致向右或向左循环发光。或者，如图3中的示例所示，可以使用注入触头5或6和金属触头13。通过注入触头5或6注入自旋向上或自旋向下的电子，这在电荷载流子系统中引起各自的自旋极化。通过金属触头13可以注入相同数量的自旋向上的电子和自旋向下的电子，其结果是减小了电荷载流子系统中的自旋极化。此外，例如可以使用两种以上的不同接触类型。对于第一实施例和第二实施例所说的内容可以应用于这些实施例。

为了能够改变电子的自旋极化，在图1所示的实施例中，第一注入触头5和第二注入触头6以交替的方式布置。第一注入触头5被设计用于注入具有第一自旋极化的电子，第二注入触头6被设计用于注入具有不同于第一自旋极化的第二自旋极化的电子。特别地，所有第一注入触头5可以一起连接到第一电源供应线，并且所有第二注入触头6可以连接到第二电源供应线。通过注入触头5、6注入的电子数量可以通过施加在相应电源供应线上的电流强度来设定。如果仅将电流施加到第一引线，则仅注入具有第一自旋极化的电子，从而产生具有第一偏振的光。如果仅将电流施加到第二引线，则仅注入第二自旋极化的电子，从而产生具有第二偏振的光。如果以第一电流强度将电流施加到第一供应线并且以第二电流强度将电流施加到第二供应线，则所获得的极化可以通过两个触头的工作点的比率来调节。第一注入触头5和第二注入触头6的交替布置意味着第二注入触头6至少在一个方向上跟随于第一注入触头5之后。第二注入触头6优选在每个方向上跟随第一注入触头5。在图2所示的示例中就是这种情况。这种交替布置允许不同极化的电子以均匀分布的方式注入到有源区域12中。

第一注入触头5和第二注入触头6优选地设计成彼此不同，使得彼此磁化方向相反，由此第一自旋极化与第二自旋极化相反。这尤其可以通过使注入触头5、6的铁磁层8反向磁化来实现。

为了产生第一注入触头5和第二注入触头6，铁磁层8优选地以其具有面外磁化的方式形成。例如，这可以通过多层结构来实现。在铁磁层8形成之后，优选通过施加到配置1制造工艺中该步骤的外部磁场使磁畴在铁磁层8内取向。在关闭外部磁场之后，铁磁层8中的磁畴保持在相应方向上对准。铁磁层8的磁化强度可以根据外部磁场的方向来调整。可以利用的是，磁化特性是磁滞曲线。从磁滞曲线可以看出，相应的铁磁层8的重新磁化需要最小的磁场-矫顽磁场强度。

为了使第一注入触头5和第二注入触头6包含具有相反磁化的铁磁层8，铁磁层8优选在两种类型的注入触头5、6中具有不同的矫顽场强，优选地，使得磁滞曲线为不同的宽度。通过施加例如，外部的正电场，然后施加负电场，可以在两种类型的注入触头5、6上施加不同取向的磁化或磁化方向。以这种方式，首先可以在第一方向上施加更高的磁场，使得两种类型的注入触头5、6的铁磁层8都在第一方向上被磁化。然后可以在第二方向上施加磁场，方向与第一方向相反，该磁场仅以较窄的磁滞曲线将注入触头5或6的铁磁层8磁化，而其他注入触头5或6的铁磁层8保持不变。

磁滞曲线的宽度取决于例如铁磁层8的空间延伸部分，从而可以通过注入触头5、6的不同尺寸获得不同的磁滞曲线。图1中的实施例示出了第一注入触头5中的铁磁层8比第二注入触头6中的铁磁层8更薄，而第一注入触头5中的隧道势垒9比第二注入触头6中的隧道势垒9更厚。可以通过铁磁层8的不同层厚度获得不同的矫顽场强，使得不同的注入触头5、6的铁磁层8可以在相反的方向上被磁化。

替代地或附加地，不同的材料组合可以具有不同的磁滞曲线，从而通过不同的材料可以产生两种类型的注入触头5、6。

使得具有相同材料和相同尺寸的两类注入触头产生不同磁化的另一种可能是光磁方法。两种类型的注入触头最初均被磁化。然后以磁滞不通过、但材料仅会重新磁化的方式，施加具有较弱场强的反向磁场。现在，借助于聚焦配置，可以扫描仅一种接触类型的接触区域，使得材料恰好在这些区域中短暂地加热，而另一种接触类型的区域不被加热。加热的结果是，材料的磁滞曲线发生了变化，使得已施加的外部磁场足以进行磁化，从而使加热的触头的磁化方向一致，并且这些触头随后具有与磁化的第一方向相反的磁化。特别地，通过光磁过程获得的装置可以具有注入触头5、6，除了不同的磁化之外，注入触头5、6彼此相同。

图3是配置1的第二实施例的示意性截面图，该配置1具有用于注入自旋极化电子并用于反射光的装置2。除了以下描述的差异之外，第二实施例与第一实施例相同。

在第二实施例中，仅第一注入触头5以及金属触头13布置在凹槽4中，使得注入触头5、6未布置在格子结构3的所有凹槽4中。金属触头13用于注入电子而无自旋极化。在该实施例中，通过第一注入触头5可以注入具有第一自旋极化的电子，并且通过金属触头13可以注入没有自旋极化的电子。相反，在第一实施例中，通过第一注入触头5可以注入具有第一自旋极化的电子，并且通过第二注入触头6可以注入具有第二自旋极化的电子。在一个实施例中，可以利用没有磁化的简单金属触头13实现零自旋极化。金属触头13不需要隧道势垒9。

与第一实施例相比，第二实施例的制造被简化，因为仅注入触头5这一种触头必须被磁化，而金属触头13不需要任何后处理。

在所描述的用于操作装置，特别是配置，的方法中，优选的是，借助于双折射来影响尤其是最大化，形成偏振调制系统的配置的共振频率。进一步优选地，将被影响尤其是最大化的偏振调制系统的谐振频率用于例如，光学数据传输。

参考数字列表

1 配置

2 装置

3 格子结构

4 凹槽

5 第一注入触头

6 第二注入触头

7 金属层

8 铁磁层

9 隧道势垒

10匹配层

11反射镜

12有源区域

13金属触头

14延伸部分

Claims (9)

1.一种被配置为用于注入自旋极化电子并反射光进入半导体激光器或谐振LED的装置(2)，其特征在于，包括：至少一个具有多个凹槽(4)的格子结构(3)，其中所述格子结构(3)被设计用于反射光，并且其中在至少一些所述凹槽(4)中布置有用于注入自旋极化的电荷载流子的相应的第一注入触头(5)、第二注入触头(6)，至少一些所述第一注入触头(5)、第二注入触头(6)包括相应的铁磁层(8)，其中，电子在铁磁层(8)中被极化。

2.根据权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，第一注入触头(5)和第二注入触头(6)以交替的方式布置，并且其中，所述第一注入触头(5)被设计用于注入具有第一自旋极化的电子，所述第二注入触头(6)被设计用于注入具有不同于所述第一自旋极化的第二自旋极化的电子。

3.根据权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，在一些所述凹槽(4)中还设置有用于注入无自旋极化电子的金属触头(13)。

4.根据权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，所述格子结构(3)中的所述凹槽(4)的长度小于要反射的光的波长。

5.根据权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，所述铁磁层(8)具有垂直于所述铁磁层(8)定向的磁化。

6.根据权利要求1所述的装置(2)，至少一些所述第一注入触头(5)、第二注入触头(6)包括相应的隧道势垒(9)。

7.一种用于注入自旋极化电子并反射光进入半导体激光器或谐振LED的配置(1)，其特征在于，包括有源区域(12)、反射镜(11)和根据前述权利要求中的任一项所述的装置(2)，其中所述反射镜(11)和所述装置(2)被布置用于反射光进入所述有源区域(12)。

8.根据权利要求7所述的配置(1)，其特征在于，所述装置(2)的至少一些所述第一注入触头(5)、第二注入触头(6)被各自设计为肖特基触头。

9.用于操作根据权利要求8所述的配置(1)的方法，其特征在于，自旋极化电子通过所述第一注入触头(5)、第二注入触头(6)注入到所述配置(1)的有源区域(12)中，并且其中由所述配置(1)产生的光的偏振受到所述电子的自旋极化的影响。