自旋電子器件

自旋電子器件一自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管摘要：自旋電子學(xué)是近年來新興的備受關(guān)注的學(xué)科，其開展講對(duì)未來電子工業(yè)開展起到重要作用。本文引見了以自旋電子學(xué)為基礎(chǔ)的一種新型半導(dǎo)體器件一自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)明引見了其基本原理，研討現(xiàn)狀，及電導(dǎo)特性，運(yùn)用前景。關(guān)鍵詞：自旋電子學(xué)電光效應(yīng)自旋注入效率引言：自旋電子學(xué)自1994年被確以為凝聚態(tài)范圍的一個(gè)新型交叉學(xué)科而備受迷信界和電子工業(yè)界的關(guān)注，具有寬廣的運(yùn)用前景。自旋電子學(xué)的出現(xiàn)被稱為是1999年物理學(xué)界十大嚴(yán)重事情之一，它的研討曾經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、信息迷信及新資料等諸多范圍共同關(guān)注的研發(fā)熱點(diǎn)，并將成為本世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對(duì)未來的電子工業(yè)開展將起到無足輕重的作用。作為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)基本元素的半導(dǎo)體器件，是以電子〔或空穴〕的電荷特征來傳遞信息，而電子自旋由于隨機(jī)取向，因此不攜帶信息。詳細(xì)地說，通常電子在輸運(yùn)進(jìn)程中由于碰撞而招致自旋磁矩在空間的取向混亂，因此在微觀輸運(yùn)性質(zhì)中僅需求思索電子具有電荷就足夠了。自旋電子學(xué)不只應(yīng)用電荷，而且需應(yīng)用電子的自旋特性，它將經(jīng)過操縱電子自旋來停止信息處置。隨著微加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路的開展，電子器件的尺寸越做越小，當(dāng)尺度在納米范圍內(nèi)，自旋在很多方面要比電荷更優(yōu)越，如數(shù)據(jù)處置快、能耗低、集成度高、動(dòng)搖性好等。因此，自旋電子將會(huì)逐漸取代微電子而成為工業(yè)的主流。自旋電子學(xué)器件的運(yùn)用，特別是在計(jì)算機(jī)信息產(chǎn)業(yè)中的運(yùn)用已取得了龐大的效果，如應(yīng)用巨磁電阻〔GMR〕效應(yīng)做的磁頭用在計(jì)算機(jī)〔2000年世界硬盤的產(chǎn)量已達(dá)2億臺(tái)〕硬盤存儲(chǔ)上，使記載密度由1988年得50Mb/in開展到2003年的100Gb/in，提高了千倍之多。這充沛說明了GMR是未來外貯存器市場(chǎng)最重要的類型產(chǎn)品，它將促進(jìn)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展并帶來龐大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，應(yīng)用GMR效應(yīng)制備的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器〔MRAM〕作為計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片將是下一步推進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)開展的一場(chǎng)革命，并有能夠取代半導(dǎo)體芯片。1999?2001年，美國(guó)

的IBM,摩托羅拉，德國(guó)的Infineon等公司先后研制成功了適用的MRAM芯片。但這些還僅僅是自旋電子學(xué)的初步運(yùn)用，目前，自旋極化電子在半導(dǎo)體的有效傳輸，操縱已基本完成。2002年6月《SCIENCE?雜志還報(bào)道了應(yīng)用電子自旋特性制造的亞微米尺寸磁性''非門〃和寄存器，應(yīng)用電子自旋還有能夠制造自旋電子學(xué)器件，來完成量子計(jì)算，量子通訊等，這些研討運(yùn)用的實(shí)際基礎(chǔ)就是自選輸運(yùn)的研討。在基于自旋的電子器件中，最富創(chuàng)意的就是有Datta和Das提出的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本原理1990年Datta和Das初次提出了應(yīng)用電子自旋特性的新型電子器件自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示，這是一個(gè)相似三明治的結(jié)構(gòu)，兩邊是鐵磁性資料充任自旋相關(guān)載流子的源與漏,中間是由窄帶半導(dǎo)體資料(InAlAs)和襯底(InGaAs)構(gòu)成的二維電子氣.為了說明這個(gè)器件的任務(wù)原理,我們可以經(jīng)過電光效應(yīng)來作類比論述.圖2是電光效應(yīng)的光學(xué)調(diào)制器的表示圖.光束經(jīng)過左邊的起偏器后,入射光就變成了沿與y軸成45°角偏振的線偏振光,它可表示成沿y軸偏振的線偏振光與沿z軸偏振的線偏振光的線性組合.當(dāng)此偏振光經(jīng)過光電資料時(shí)，由于電光效應(yīng)使介電常數(shù)8yy和^zz變得稍有所不同，這兩種偏振成分將閱歷不同的相位移動(dòng)k1L與k2L,這里的k1和k2區(qū)分是光沿y方向和z方向的波矢,因此出射光的極化形狀就可以表示為(g,。皿);而輸入端處的檢偏器只讓沿(1,1)的成分經(jīng)過,于是出射光強(qiáng)P0可由下式給出P笠(P笠(11)(eik[L,eik2L)t20=4cos2〔1〕因此出射光強(qiáng)就可以經(jīng)過門電壓控制相移差A(yù)9=(k—k)L來調(diào)理。12圖？電光效成原理小意國(guó)如圖1所示，在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，極化器和剖析器可由鐵磁資料完成.鐵磁資料的費(fèi)米能處一種自旋電子的態(tài)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越另一種自旋電子的態(tài)密度，所以鐵磁電極優(yōu)先注入和探測(cè)一種自旋電子.實(shí)驗(yàn)上已證明應(yīng)用坡莫合金電極可使自旋流極化率高50%.沿+x方向磁化的電極優(yōu)先發(fā)射和探測(cè)自旋沿+x方向的電子,依據(jù)量子力學(xué)，它可表示成自旋沿+z方向的電子態(tài)與自旋沿-z方向的電子態(tài)的線性組合，即假設(shè)有一種與電光資料相似的資料，它能在自旋沿+z方向的電子與自旋沿-z方向的電子之間發(fā)生不同的相移，并且相移差可由門電壓控制,那么就能完成電流的調(diào)制；窄禁帶半導(dǎo)體（如InGaAs）正好能提供這種功用.實(shí)際和實(shí)驗(yàn)都已證明在窄禁帶半導(dǎo)體的二維電子氣中零磁場(chǎng)下自旋向上與自旋向下的電子間有能量劈裂,這種零場(chǎng)自旋劈裂的主要機(jī)制是有效質(zhì)量哈密頓量中的自旋軌道互作用的Rashba項(xiàng)為H=門（bk-。k）〔3〕這一項(xiàng)來源于異質(zhì)結(jié)界面處的垂直電場(chǎng),這里的邛是自旋軌道互作用的強(qiáng)度系數(shù).其他機(jī)制（如體反演不對(duì)稱項(xiàng)）也會(huì)對(duì)零場(chǎng)自旋劈裂有貢獻(xiàn),但在窄禁帶半導(dǎo)體中通常很小,因此可疏忽.容易看到Rashba項(xiàng)惹起了相反能量的自旋沿+z方向的電子與自旋沿-z方向的電子有不同的波矢k1和k2.思索一個(gè)沿+x方向運(yùn)動(dòng)的具有kz=0,kx尹0的電子，那么Rashba項(xiàng)HR等于n。zkx.這使自旋沿+z方向電子的能量提高了nkx,而使自旋沿-z方向電子的能量降低了相反的值,所以有TOC\o"1-5"\h\z2k2/、E（+z）=xi一門k〔4〕2m*x1,、方2k2《、\o"CurrentDocument"E(—z)=—x2+門k〔5〕顯然在自旋沿+z方向和自旋沿-z方向的電子間發(fā)生了正比于自旋軌道耦合系數(shù)的相移差\o"CurrentDocument"k1-k2=^mh〔6〕一個(gè)顯然的效果是n能否足夠大以使得在一個(gè)平均自在程中能到達(dá)n的相移差，對(duì)InGaAs/InAlAs異質(zhì)結(jié)，從實(shí)驗(yàn)上觀察到的零場(chǎng)自旋劈裂，可以預(yù)算出n大約為30X10-12eV?m,這給出L(A9=n)=0.11um;自旋軌道耦合常數(shù)n正比于異質(zhì)結(jié)界面處電場(chǎng)的希冀值,原那么上可經(jīng)過門電壓加以控制.運(yùn)用鐵磁電極作為極化器與剖析器、以及運(yùn)用窄禁帶半導(dǎo)體在兩種自旋電子之間引入可由門電壓控制的相移差，從而完成與光調(diào)制器相似的基于電子波的電流調(diào)制的器件。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的提出是自旋電子學(xué)中最有影響的概念之一。它是借助于自旋軌道相互作用的完全電學(xué)操控自旋動(dòng)力學(xué)的方案，而傳統(tǒng)方案是經(jīng)過外加磁場(chǎng)來控制自旋。眾所周知，在十分小的體積和十分短的時(shí)間尺度中發(fā)生及控制電場(chǎng)遠(yuǎn)比控制磁場(chǎng)容易，因此全電學(xué)方案為有效的自旋局域操作和應(yīng)用現(xiàn)成的傳統(tǒng)高速數(shù)字電子線路的集成技術(shù)提供了能夠。在想象的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件中,當(dāng)自旋(方向指向輸運(yùn)方向)從源極注入半導(dǎo)體量子線時(shí)，由于遭到門電壓調(diào)理的Rashba自旋軌道互作用(來源于異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱性)，它就在這非磁區(qū)域中以一種被控制的方式進(jìn)動(dòng)，最后以一定的概率(依賴于進(jìn)動(dòng)的角度)進(jìn)入漏極，于是這種含極化器和剖析器的電學(xué)方案將能調(diào)理自旋極化的源漏極電流。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研討現(xiàn)狀和存在的效果自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管自提出后惹起了人們的極大興味，很多研討小組對(duì)此停止了研討。雖然自旋電子學(xué)的前景誘人，但是基于自旋的電子器件真正走向適用還面臨一些困難：要有足夠的自旋注入效率.由于高自旋注入效率才是基于自旋的半導(dǎo)體電子器件走向運(yùn)用的前提.實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)鐵磁金屬經(jīng)過歐姆接觸注入到半導(dǎo)體后其自旋極化率普通只要0.1%?1%.G.Schmidt等人指出從鐵磁金屬到半導(dǎo)體之所以得不到高的自旋注入效率，基本緣由在于金屬和半導(dǎo)體的電導(dǎo)不婚配,E.Rashba和A.Fert等人提出在鐵磁金屬和半導(dǎo)體之間加一勢(shì)壘，應(yīng)用自旋相關(guān)隧穿電阻克制這一缺陷，可大大提高自旋電子的注入效率，最近有報(bào)道稱在GaAs外表外延伸一層鐵構(gòu)成肖特基勢(shì)壘,應(yīng)用光學(xué)的測(cè)量方法，在室溫下失掉了2%的自旋注入效率，但與走向運(yùn)用的希冀值仍有較大距離,且付出了減小電流的代價(jià).2002年7月的Appl.Phys.Lett報(bào)道了V.Motsnyi等人應(yīng)用1.4nm厚的氧化鋁薄膜AlOx作為絕緣層，以CoFe為鐵磁金屬，在80K溫度和3V電壓下在半導(dǎo)體中失掉了自旋極化為9.2%的電流.這種加偏壓的方法雖然對(duì)自旋注入效率有所提高,但也很有限.后來有研討小組發(fā)現(xiàn)鐵磁半導(dǎo)體注入到普通半導(dǎo)體的效率較高，但是由于目前鐵磁半導(dǎo)體的居里溫度太低(普通小于20K)，無法實(shí)如今室溫下運(yùn)用.應(yīng)該完成經(jīng)過具有平均Rashba參數(shù)n(經(jīng)過消弭界面不平均性所發(fā)生的不需求的電場(chǎng))的通道的彈道型自旋極化輸運(yùn)而且Rashba參數(shù)n應(yīng)該是可由門電壓有效控制的.結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越體反演不對(duì)稱，并且自旋進(jìn)動(dòng)率必需足夠大以便在彈道輸運(yùn)中到達(dá)至少半個(gè)周期的進(jìn)動(dòng).這3個(gè)要素給在室溫下制造Datta2Das自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管提出了龐大應(yīng)戰(zhàn),要求把設(shè)計(jì)限制到特殊資料和十分潔凈的界面.其中由門電壓調(diào)理n曾經(jīng)在In0:53Ga0:47As/In0:52Al0:48As量子阱和GaAs/AlGaAs二維電子氣中令人信服地完成了。Gardelis等人對(duì)Datta2Das自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管系統(tǒng)中磁阻停止了最后的實(shí)驗(yàn)研討。Winkler運(yùn)用K?p模型研討了包括體反演不對(duì)稱的Datta2Das自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的自旋進(jìn)動(dòng);存在與方向有關(guān)的體反演不對(duì)稱的狀況下，經(jīng)過晶體管的電導(dǎo)劇烈地依賴于二維通道的結(jié)晶取向.Pareek和Bruno運(yùn)用緊約束近似停止了模型計(jì)算.Matsuyama等人對(duì)Datta2Das自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管這一主題停止了進(jìn)一步的實(shí)際研討.人們也提出了各種不同的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管，甚至用外增強(qiáng)度平均的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來替代鐵磁電極.Ciuti等人提出了具有非磁的源極和漏極,但在基質(zhì)通道上有兩個(gè)串聯(lián)的鐵磁門的鐵磁一氧化物一半導(dǎo)體晶體管，門的磁化方向的相對(duì)取導(dǎo)游致了磁阻效應(yīng).自旋場(chǎng)效應(yīng)管的電導(dǎo)特性自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的電導(dǎo)特性與自旋軌道耦合強(qiáng)度、界面勢(shì)壘高度以及鐵磁源極與漏極的自旋極化率都有依賴關(guān)系.在思索Dresselhaus效應(yīng)以后,我們經(jīng)過研討說明，在界面勢(shì)壘稍高的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中電導(dǎo)表現(xiàn)出極好的開關(guān)效應(yīng).而且此開關(guān)效應(yīng)既不需求鐵磁源、漏極，也不需求自旋極化的注入.它在很大的水平上依賴于準(zhǔn)一維電子氣通道中的相關(guān)彈道型輸運(yùn).實(shí)踐上可以經(jīng)過調(diào)理劈裂門電壓來改動(dòng)Dresselhaus自旋軌道耦合強(qiáng)度從而可對(duì)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管停止開和關(guān)操作.另一方面，在近似歐姆接觸的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中有主要來源于Rashba和Dresselhaus自旋進(jìn)動(dòng)的清楚的電導(dǎo)調(diào)制.這個(gè)任務(wù)曾經(jīng)宣布在美國(guó)的《運(yùn)用物理快報(bào)》上.假設(shè)在自旋場(chǎng)效應(yīng)管中參與磁場(chǎng)，電導(dǎo)隨磁場(chǎng)的變化也表現(xiàn)出很好的磁開關(guān)效應(yīng).研討還說明，自旋場(chǎng)效應(yīng)管的電導(dǎo)隨中間層半導(dǎo)體的厚度和兩邊鐵磁的磁化方向變化而出現(xiàn)出清楚的量子振蕩效應(yīng)，而且鐵磁和半導(dǎo)體價(jià)帶間的婚配性等對(duì)電導(dǎo)也有較大影響。結(jié)語總之，電子不只僅是電荷的載體，而且還是自旋的載體,這一新的自在度的參與大大豐厚了微電子學(xué)的研討內(nèi)容，為少量新型電子器件的降生提供了新的源泉.自旋電子學(xué)的興起和開展必將給電子學(xué)的開展帶來革命性的變化，隨著研討的深化人類最終也將從中受益.本文在思索電子自旋特性的基礎(chǔ)上引見了自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管這一新型晶體管的基本原理和研討停頓，我們研討發(fā)現(xiàn)，自旋場(chǎng)效應(yīng)管的電導(dǎo)具有很好的開關(guān)特性,在有磁場(chǎng)時(shí)也出現(xiàn)出清楚的磁開關(guān)特性,希望我們的研討對(duì)自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研討適用有所裨益。自旋電子學(xué)是一門有著寬廣運(yùn)用前景和重要實(shí)際研討價(jià)值的學(xué)科，為微電子學(xué)和磁學(xué)開拓出更大的開展空間和外延。目前，自旋電子學(xué)還有少量的器件，物理方面的效果有待于從實(shí)際和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面處置。自旋電子學(xué)和自旋器件的打破將為微電子，納電子器件以