CN113270542B - 一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器 - Google Patents

一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN113270542B
CN113270542B CN202110521376.7A CN202110521376A CN113270542B CN 113270542 B CN113270542 B CN 113270542B CN 202110521376 A CN202110521376 A CN 202110521376A CN 113270542 B CN113270542 B CN 113270542B
Authority
CN
China
Prior art keywords
spin
layer
iii
charge conversion
narrow bandgap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110521376.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113270542A (zh
Inventor
寇煦丰
孙璐
薛丰铧
刘晓阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ShanghaiTech University
Original Assignee
ShanghaiTech University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ShanghaiTech University filed Critical ShanghaiTech University
Priority to CN202110521376.7A priority Critical patent/CN113270542B/zh
Publication of CN113270542A publication Critical patent/CN113270542A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113270542B publication Critical patent/CN113270542B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于窄禁带III‑V/II‑VI化合物半导体的自旋‑电荷转换器件，其特征在于，由下至上依次包括衬底晶圆、缓冲层、自旋轨道耦合层、铁磁金属层、介电层以及顶电极层。与传统的基于重金属材料的自旋‑电荷转换器件相比，本发明的基于III‑V族半导体材料的结构不仅能够与现有的半导体CMOS工艺相匹配，同时相比于传统重金属材料更高的自旋轨道耦合强度可以提升器件的自旋‑电荷转换效率，此外，通过施加背栅电压可以实现对自旋轨道耦合强度的调控，进而进一步提升器件的效率，增幅超过50％以上。

Description

一种基于III-V族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器
技术领域
本发明涉及一种自旋信号探测器。
背景技术
随着信息技术的发展，摩尔定律接近于物理极限，导致半导体器件的热量耗散和工艺变化问题愈加突出，传统的集成电路工艺器件面临着严峻考验。与此同时，由于具有低功耗、非易失性等特点，利用电子自旋作为信息载体的自旋电子器件逐渐成为了研究的热点。自旋电子器件是通过对电子自旋的产生、传输、操控以及探测，从而实现数据存储，数据传输和器件逻辑运算。其中对自旋信号的探测手段的研究是自旋电子器件功能实现的前提。因为电子自旋无法像电子电荷一样通过常规的电学手段直接进行探测，许多研究工作开发了多种自旋信号的探测方法：如利用Hanle效应制备的三端器件、非局域自旋阀、以及利用磁性隧道结等方式进行自旋信号探测。近年来，最受关注的方法是：利用逆自旋霍尔效应将自旋信号转换为电学信号，从而利用传统的电学手段即可实现自旋信号的探测。逆自旋霍尔效应的原理是：自旋由磁性层注入近邻的非磁性层中，非磁性层的强自旋轨道耦合促使自旋流转化为电荷流，这样就能通过电学方法对自旋信号进行探测。利用逆自旋霍尔效应制备的自旋信号探测器相比于其他器件而言，具有信号探测效率高、器件工作原理简单、器件制备步骤简洁等优点；并且由于采用被动电学测量方式，因此无需引入额外的工作电路。
利用逆自旋霍尔效应实现自旋信号的探测，其自旋信号的转换效率主要取决于系统中自旋轨道耦合强度。自旋轨道耦合强度越大，自旋流转化为电荷流的效率越高，相应的信号探测器灵敏度也就更高。目前广泛使用的自旋-电荷流转换体系主要是基于重金属材料作为自旋轨道耦合层，但重金属材料中自旋流-电荷流转换效率较低。与此同时，近年来具有强的自旋轨道耦合效应的拓扑绝缘体及新型二维材料得到广泛关注，但这些材料大部分工作在低温区且在室温、暴露空气的环境中无法稳定。同时，其材料制备工艺的特殊性也限制了相应的器件与现有成熟的半导体工艺相结合。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：传统的基于重金属材料的自旋-电荷流转换器件效率不高，并且很难与现有成熟的半导体器件及制备工艺相结合。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，由下至上依次包括衬底晶圆、缓冲层、自旋轨道耦合层、铁磁金属层、介电层以及顶电极层，其中：
缓冲层采用碲化镉CdTe或者碲化锌ZnTe材料；
自旋轨道耦合层采用高迁移率的III-V族窄禁带半导体锑化铟InSb或砷化铟InAs；
由缓冲层与自旋轨道耦合层共同组成InSb/CdTe双层结构或InAs/ZnTe双层结构，定义为自旋信号-电信号转换层，用于将铁磁金属层注入的自旋流转换成电荷流；InSb/CdTe双层结构中，碲化镉CdTe材料与III-V族窄禁带半导体锑化铟InSb界面处或者InAs/ZnTe双层结构中，碲化锌ZnTe材料与III-V族窄禁带半导体砷化铟InAs界面处产生能够形成Rashba系数α可达
Figure BDA0003064110560000021
的Rashba效应的自旋轨道耦合效应，以提升自旋-电荷转换的效率，Rashba系数α为衡量自旋轨道耦合强度的参数；
铁磁金属层为铁磁金属或铁磁绝缘体。
优选地，所述缓冲层的厚度为1微米左右。
优选地，所述自旋轨道耦合层的厚度为十几纳米到几十纳米之间。
优选地，在所述自旋-电荷转换器件中，载流子浓度可根据实际掺杂在1017-1018cm-3范围内变动，相应的载流子迁移率为μ＝1000-5000cm2/Vs。
优选地，所述介电层为氧化铝材料，厚度为十几纳米到几十纳米之间。
优选地，通过施加背栅电压Vg，调控所述InSb/CdTe双层结构或所述InAs/ZnTe双层结构的界面的能带结构，以所述调控Rashba系数α。
优选地，通过施加背栅电压将所述Rashba系数α从
Figure BDA0003064110560000022
调节至
Figure BDA0003064110560000023
调控增幅超过50％以上。
优选地，所述衬底晶圆采用N型掺杂的硅或砷化镓晶圆。
本发明提出了一种基于晶格匹配III-V/II-VI族化合物半导体异质结的自旋信号探测器，其探测灵敏度高于传统重金属材料和目前报道的大部分新型二维材料。首先，本发明提出的化合物半导体异质结具备高度的晶格匹配特征，因此在工艺上能够制成高质量的薄膜，并且能与成熟的CMOS制备工艺相结合。由于这种材料继承了III-V族半导体在常温下具有高迁移率的特点，因此制成的器件具备高响应速度的潜力。更为重要的是，本发明提供的体系具有很强的自旋轨道耦合效应，并且由于半导体的特性，自旋轨道耦合的强度能够通过电场栅压显著地调控。这种自旋轨道耦合强度直接决定了自旋流-电荷流的转换效率，自旋轨道耦合效应的显著增强即表明了器件的探测灵敏度提高。
与传统的基于重金属材料的自旋-电荷转换器件相比，本发明的基于III-V族半导体材料的结构不仅能够与现有的半导体CMOS工艺相匹配，同时相比于传统重金属材料更高的自旋轨道耦合强度可以提升器件的自旋-电荷转换效率，此外，通过施加背栅电压可以实现对自旋轨道耦合强度的调控，进而进一步提升器件的效率，增幅超过50％以上。
附图说明
图1为基于III-V族半导体结构的自旋信号探测器结构层示意图；
图2为基于III-V族半导体结构的自旋信号探测器工作方式示意图，其中，①—微波发生源：共面波导；②—衬底；③—介电层；④—铁磁层；⑤—自旋轨道耦合层；⑥—缓冲层；HRF—共面波导产生的微波磁场；HDC—外加直流磁场；Jspin—自旋流；Jcharge—电荷流。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种自旋信号探测器件，主体结构包含衬底砷化镓晶圆Ⅰ，CdTe作为缓冲层Ⅱ，InSb作为自旋轨道耦合层Ⅲ，和铁磁信号层FM layerⅣ，如图1所示。
衬底晶圆采用N型掺杂的硅或砷化镓晶圆，介电层采用碲化镉CdTe或者碲化锌ZnTe材料，厚度为1微米左右。自旋轨道耦合层采用高迁移率的III-V族窄禁带半导体锑化铟(InSb)，厚度为十几到几十纳米之间，替代传统的重金属材料层如铂(Pt)、钽(Ta)等。最顶层是铁磁材料如(NiFe或CoFeB)构成的自旋信号产生层。由自旋轨道耦合层组成的InSb/CdTe双层结构为该器件的核心结构。一方面，InSb/CdTe界面处会产生非常大的自旋轨道耦合强度，从而形成Rashba效应。通常用Rashba系数α来进行自旋轨道耦合强度的表征。在本发明提出的III-V族半导体材料体系中，Rashba系数α可达
Figure BDA0003064110560000042
比传统材料提升了近2个数量级。即使与现有报道中高Rashba系数的体系(如拓扑绝缘体、二维电子气材料)相比，其Rashba系数也提高了近一个量级。而由于逆自旋霍尔效应强度和Rashba系数正相关，因此自旋信号转化成电信号的效率也就更高，InSb/CdTe结构中，自旋流和电荷流转换效率可以用自旋霍尔角来表达，
Figure BDA0003064110560000041
是传统重金属材料铂的两倍。另一方面，通过施加背栅电压Vg，可以调控InSb/CdTe界面的能带结构从而进一步调控该体系的Rashba系数。在该结构中，通过施加1V的背栅电压，Rashba系数α可以由
Figure BDA0003064110560000043
提升至
Figure BDA0003064110560000044
因此，本发明还可以实现利用电场调控特性，进一步提升器件的探测灵敏度。
结合图2，本发明提供的器件结构具体的工作过程为：
将频率范围为2～10GHz的微波通入共面波导中，会在器件上方产生微波场。在器件平面内施加与微波场和条带状样品长边同时垂直的磁场，位于器件最上层的铁磁层中的磁矩排列方向将与磁场方向一致，在微波场的激励下产生铁磁共振并激发出自旋波。自旋波将通过铁磁层，注入到由InSb/CdTe构成的自旋信号-电信号转换层。
在InSb和InSb/CdTe界面处，由于逆自旋霍尔效应，注入的自旋流不断向器件一侧发生移动，从而将铁磁层注入的自旋流转换成电荷流。
电荷移动到器件两侧，在器件两侧逐渐积累产生电压，即为逆自旋霍尔电压，电压的幅度范围1μV-2.6μV。利用后端放大电路进行探测信号探测。对于给定的自旋信号探测器，其自旋-电荷转换效率是一定的，因此电压值的大小即反映了自旋信号的大小。

Claims (8)

1.一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，由下至上依次包括衬底晶圆、缓冲层、自旋轨道耦合层、铁磁金属层、介电层以及顶电极层，其中：
缓冲层采用碲化镉CdTe或者碲化锌ZnTe材料；
自旋轨道耦合层采用高迁移率的III-V族窄禁带半导体锑化铟InSb或砷化铟InAs；
由缓冲层与自旋轨道耦合层共同组成InSb/CdTe双层结构或InAs/ZnTe双层结构，定义为自旋信号-电信号转换层，用于将铁磁金属层注入的自旋流转换成电荷流；InSb/CdTe双层结构中，碲化镉CdTe材料与III-V族窄禁带半导体锑化铟InSb界面处或者InAs/ZnTe双层结构中，碲化锌ZnTe材料与III-V族窄禁带半导体砷化铟InAs界面处产生能够形成Rashba系数α可达
Figure FDA0003064110550000011
的Rashba效应的自旋轨道耦合效应，以提升自旋-电荷转换的效率，Rashba系数α为衡量自旋轨道耦合强度的参数；
铁磁金属层为铁磁金属或铁磁绝缘体。
2.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，所述缓冲层的厚度为1微米。
3.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，所述自旋轨道耦合层的厚度为十几纳米到几十纳米之间。
4.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，在所述自旋-电荷转换器件中，载流子浓度可根据实际掺杂在1017-1018cm-3范围内变动，相应的载流子迁移率为μ＝1000-5000cm2/Vs。
5.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，所述介电层为氧化铝材料，厚度为十几纳米到几十纳米之间。
6.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，通过施加背栅电压Vg，调控所述InSb/CdTe双层结构或所述InAs/ZnTe双层结构的界面的能带结构，以调控Rashba系数α。
7.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，通过施加背栅电压将所述Rashba系数α从
Figure FDA0003064110550000022
调节至
Figure FDA0003064110550000021
调控增幅超过50％以上。
8.如权利要求1所述的一种基于窄禁带III-V/II-VI化合物半导体的自旋-电荷转换器件，其特征在于，所述衬底晶圆采用N型掺杂的硅或砷化镓晶圆。
CN202110521376.7A 2021-05-13 2021-05-13 一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器 Active CN113270542B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110521376.7A CN113270542B (zh) 2021-05-13 2021-05-13 一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110521376.7A CN113270542B (zh) 2021-05-13 2021-05-13 一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113270542A CN113270542A (zh) 2021-08-17
CN113270542B true CN113270542B (zh) 2023-03-21

Family

ID=77230568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110521376.7A Active CN113270542B (zh) 2021-05-13 2021-05-13 一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113270542B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023141993A1 (zh) * 2022-01-28 2023-08-03 中国科学院半导体研究所 空穴线性Rashba自旋轨道耦合效应的增强方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014086448A (ja) * 2012-10-19 2014-05-12 Tohoku Univ スピントロニクスデバイス
US9128142B1 (en) * 2014-04-28 2015-09-08 The Johns Hopkins University Ferromagnets as pure spin current generators and detectors
WO2017155511A1 (en) * 2016-03-07 2017-09-14 Intel Corporation Spin hall excited spin wave apparatus and method
JP2017169177A (ja) * 2016-03-18 2017-09-21 国立大学法人東北大学 スピンダウンコンバータ及び周波数変換方法
WO2019125388A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Intel Corporation Spin orbit coupling based oscillator using exchange bias
DE102019104916A1 (de) * 2018-04-02 2019-10-02 Intel Corporation Vorrichtung zur Verbesserung des Schaltens in einem Magnetspeicher auf Basis einer Spin-Orbit-Kopplung
FR3091412A1 (fr) * 2018-12-28 2020-07-03 Thales Dispositif électronique, porte numérique, composant analogique et procédé de génération d’une tension
KR20200132623A (ko) * 2019-05-17 2020-11-25 연세대학교 산학협력단 스핀-전하 변환 기반의 스핀 로직 소자 및 그 동작 방법
KR20200135149A (ko) * 2019-05-24 2020-12-02 한양대학교 에리카산학협력단 스핀 로직 소자 및 이의 동작 방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8564293B2 (en) * 2007-03-16 2013-10-22 Tohoku University Method for changing spin relaxation, method for detecting spin current and spintronics device using spin relaxation
US10333058B2 (en) * 2016-03-17 2019-06-25 Cornell University Nanosecond-timescale low-error switching of 3-terminal magnetic tunnel junction circuits through dynamic in-plane-field assisted spin-hall effect
US11250897B2 (en) * 2017-02-27 2022-02-15 Tdk Corporation Spin current magnetization rotational element, magnetoresistance effect element, and magnetic memory
EP4236663A3 (en) * 2017-03-29 2023-09-27 TDK Corporation Spin-current magnetization reversal element, magnetoresistive element, and magnetic memory

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014086448A (ja) * 2012-10-19 2014-05-12 Tohoku Univ スピントロニクスデバイス
US9128142B1 (en) * 2014-04-28 2015-09-08 The Johns Hopkins University Ferromagnets as pure spin current generators and detectors
WO2017155511A1 (en) * 2016-03-07 2017-09-14 Intel Corporation Spin hall excited spin wave apparatus and method
JP2017169177A (ja) * 2016-03-18 2017-09-21 国立大学法人東北大学 スピンダウンコンバータ及び周波数変換方法
WO2019125388A1 (en) * 2017-12-18 2019-06-27 Intel Corporation Spin orbit coupling based oscillator using exchange bias
DE102019104916A1 (de) * 2018-04-02 2019-10-02 Intel Corporation Vorrichtung zur Verbesserung des Schaltens in einem Magnetspeicher auf Basis einer Spin-Orbit-Kopplung
FR3091412A1 (fr) * 2018-12-28 2020-07-03 Thales Dispositif électronique, porte numérique, composant analogique et procédé de génération d’une tension
KR20200132623A (ko) * 2019-05-17 2020-11-25 연세대학교 산학협력단 스핀-전하 변환 기반의 스핀 로직 소자 및 그 동작 방법
KR20200135149A (ko) * 2019-05-24 2020-12-02 한양대학교 에리카산학협력단 스핀 로직 소자 및 이의 동작 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Highly Efficient Electric-Field Control of Giant Rashba Spin−Orbit Coupling in Lattice-Matched InSb/CdTe Heterostructures";Yong Zhang等;《ACS NANO》;20201210;第14卷;第17396-17404页 *
J.C. Rojas Sa＇nchez等."Spin-to-charge conversion using Rashba coupling at the interface between non-magnetic materials".《Nature Communications》.2013,第1-7页. *
自旋轨道耦合与自旋霍尔效应;张跃林等;《北京师范大学学报(自然科学版)》;20161215;第52卷(第06期);第781-789页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113270542A (zh) 2021-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Enhanced rectification, transport property and photocurrent generation of multilayer ReSe 2/MoS 2 p–n heterojunctions
Dankert et al. Tunnel magnetoresistance with atomically thin two-dimensional hexagonal boron nitride barriers
CN208507681U (zh) 一种基于二硫化钼与二硒化钨垂直异质结的铁电存储器
CN103563085A (zh) 垂直隧穿负微分电阻器件
Deng et al. Band alignment and electrical properties of NiO/β-Ga2O3 heterojunctions with different β-Ga2O3 orientations
CN113270542B (zh) 一种基于iii-v族窄禁带半导体异质结构的自旋信号探测器
CN109244132B (zh) 基于磁致压电势的晶体管和磁传感器
Lindemuth et al. Hall measurements on low-mobility materials and high resistivity materials
Badali et al. Graphene doped (Bi 2 Te 3–Bi 2 O 3–TeO 2): PVP dielectrics in metal–semiconductor structures
Azizian-Kalandaragh et al. The temperature-dependent dielectric properties of the Au/ZnO-PVA/n-Si structure
CN110085700A (zh) 一种极化与量子点共调控的高光电响应探测器单元
CN112054116A (zh) 一种基于iii-v族窄禁带半导体的磁随机存储器
CN103325942A (zh) 铁电隧道结器件
Haq et al. GGA+ U investigations of impurity d-electrons effects on the electronic and magnetic properties of ZnO
US20150013746A1 (en) Photovoltaic System with Embedded Energy Storage Device
Kumar et al. Novel room temperature multiferroics for random access memory elements
Zhang et al. Electric-field driven insulator-metal transition and tunable magnetoresistance in ZnO thin film
He et al. Separating interface magnetoresistance from bulk magnetoresistance in silicon-based Schottky heterojunctions device
Alharbi et al. Advanced integrated sensor and layer transfer technologies for wearable bioelectronics
CN106645323B (zh) 基于氧化物异质结的极性溶剂化学传感器及制备方法
Lü et al. Colossal magnetoresistive pn junctions of perovskite oxide La 0.9 Sr 0.1 MnO 3/SrNb 0.01 Ti 0.99 O 3 O 3
Lips et al. Recombination in silicon thin-film solar cells: a study of electrically detected magnetic resonance
CN104851974A (zh) 一种具有整流磁电阻效应的磁传感器及其制备方法与应用
Hilleringmann et al. Semiconductor nanoparticles for electronic device integration on foils
Bakhtinov et al. Surface morphology and electrical properties of Au/Ni//n-Ga 2 O 3/p-GaSe hybrid structures fabricated on the basis of a layered semiconductor with nanoscale ferroelectric inclusions

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant