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 PDFInfo
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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
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
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
调节至
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
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，
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
提升至
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
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
调节至
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。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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