专利名称：光学自旋注入方法
技术领域：
本发明涉及一种自旋注入方法，特别是利用光学偏振转移以 及共振隧穿在半导体有源区内引入高自旋极化度的电子。
背景技术：
CMOS集成电路中器件尺寸的不断减小和集成密度的不断提 高带来了很多的问题。量子效应已经不可忽略，器件的散热问题， 产品的良率等都使得被人们奉为金科玉律的摩尔定律面临巨大 的挑战，这个时候人们考虑到利用电子的自旋是解决上述问题的 很好的方案。
自旋相关效应所需要的尺度在纳米量级，比电荷所需要的至
少几十纳米要小一个量级，自旋器件更容易达到更高的集成度；
其次，传统的电子学器件电荷的相互作用能在电子伏量级，而 自旋器件依赖于自旋与自旋的耦合，其相互作用能为毫电子伏量 级，自旋器件拥有更低的功耗，对全世界的能源危机而言是一
个福音；并且，电子的自旋的保持时间在纳秒量级，拥有更高的 开关速度；最后，自旋同外界的相互作用远比电荷要小，因而自旋器件有更高的稳定性。以上这四点，恰恰是人们长期追求的目 标。
然而要实现自旋操纵，我们必须找到一种切实可行的方法在 半导体中注入自旋。现在的注入方法有通过铁磁体向半导体中注 入自旋，但这种注入方法由于铁磁金属同半导体的界面电导不匹 配，导致很低的自旋注入效率；利用自旋霍耳效应产生自旋流， 这种方法的缺点在于它利用的是半导体中的自旋轨道耦合效应， 因而只适用于窄带隙半导体并且只能低温操作；普通的圆偏振光 的自旋转移，这种方法产生的自旋极化度很低。为了客服上述自 旋注入方法的缺点，特提出了此方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种光学自旋注入方法，本方法由 于利用了共振隧穿结构做自旋滤波，因而隧穿到有源区的自旋极 化的电子的极化度接近1 0 0 本方法利用的是光学自旋注 入，因而不需要磁场，操作简单，器件也更容易集成；本方法更 容易实现室温操作，有利于器件的实用化。
本发明提供一种光学自旋注入的方法，其特征在于，包括如 下步骤
步骤1 :取一衬底，在该衬底上生长缓冲层，缓冲层用于平 滑衬底，使得后面生长的外延结构完整性好；
步骤2 :在缓冲层上生长有源层，有源层用来操控自旋极化
5的电子；
步骤3 :在有源层上生长共振隧穿结构，起到自旋滤波的作
用；
步骤4 :在共振隧穿结构上生长光吸收层，用来产生自旋极 化的电子；
步骤5 :在光吸收层上生长电子阻挡层，用来阻挡避免非自 旋极化的电子；
步骤6:在电子阻挡层上生长重掺杂层，用于做欧姆接触。
其中所述的电子阻挡层的材料是AlQ.45GaQ.55AS，电子阻挡层 的厚度为3 0 nm。
其中所述的光吸收层的材料是GaAs，光吸收层厚度为5 0
0服o
其中所述的共振隧穿结构包括 一出射垒，该出射垒上生长 量子阱，该量子阱上生长入射垒，该共振隧穿结构用于实现自旋 滤波，提高自旋流的极化度。
其中所述的出射垒的材料为AlAs，出射垒的厚度为2 nm。 其中所述的量子阱的材料为GaAs，量子阱的厚度为7 . 5
nm0
其中所述的入射垒的材料为AlAs，入射垒的厚度为5 . 0
nm0 o
本发明的有益效果
本发明提供了一种光学自旋注入方法，这种方法有以下优点本方法由于利用了共振隧穿结构做自旋滤波，因而隧穿到有 源区的自旋极化的电子的极化度接近1 0 0 % ;本方法利用的是
光学自旋注入，因而不需要磁场，操作简单，器件也更容易集成；
本方法更容易实现室温操作，有利于器件的实用化。
为进一步说明本发明的具体技术内容以下结合实施例及附
图详细说明如后，其中
图l是本发明的结构示意图； 图2是本发明光学自旋注入的方法示意图； 图3不同温度下样品的电流电压特性曲线，其中所用激光 光源为He-Ne激光器，波长为6 3 2 . 8 nm，入射光强为1 mW。
具体实施例方式
请参阅图1所示，图1是本发明所涉及的材料层次结构图。 其中选择一重掺杂的GaAs衬底1 0 ;其上生长一层缓冲层2 0 ， 该缓冲层2 0的厚度为2 5 0 nm，该缓冲层2 0的材料为重掺的 GaAs，该缓冲层2 0可以平滑衬底，使得后续生长的外延结构的 位错更少、晶格更加完整，保证其优良的光学、电学特性。其后 生长一层有源层3 0 ，该有源层3 0的厚度为2 0 0 nm，该有源 层3 0的材料为GaAs，该有源层3 0内部可以嵌入量子阱或者 量子点，对隧穿过来的自旋极化的电子进行自旋操控。其后生长一层共振隧穿结构4 0 ，该共振隧穿结构4 O起到自旋滤波的作
用，使得隧穿到有源区的自旋极化的电子的极化度可以接近i o 0 % 。该共振隧穿结构4 0包括 一层出射垒4 1 ，该出射垒4 1的厚度为2 nm，该出射垒4 1的材料为AlAs，该出射垒4 1 要足够薄，使得电子更容易隧穿到有源区；在该出射垒4 1上生 长量子阱4 2 ;该量子阱4 2的厚度为7 . 5 nm，该量子阱4 2 的材料为GaAs，该量子阱4 2的厚度要合适，这样才能同积累 的自旋极化的电子产生共振；在量子阱4 2上生长入射垒4 3 ， 该入射垒4 2的厚度为5 nm，该入射垒4 3的材料为AlAs，该入 射垒4 3要厚一些，这样起到阻挡作用，使得积累的自旋极化的 电子只有在同量子阱共振的时候才能隧穿到有源区，保证隧穿到 有源区的电子的自旋极化度接近1 0 0 %。其后生长光吸收层5 0 ，该光吸收层的厚度为5 0 0 nm，该光吸收层5 0的材料为 GaAs，该光吸收层5 0的厚度要足够厚，这样才能通过光学吸收 积累起数量的自旋极化的电子，自旋取向不同的电子的准费米面 能够分的比较开，保证同量子阱共振时只有一种自旋取向的电子 可以共振隧穿出去，提高隧穿到有源区的电子的自旋极化度。其 后生长电子阻挡层6 0 ，该电子阻挡层6 0的材料为3 0 nm，该 电子阻挡层6 0的材料为Alo.45Gao.55As，该电子阻挡层6 0的势 垒的厚度、高度都要足够，必须能够阻挡来自表面重掺杂区的非 极化的电子，保证光吸收层5 0内的电子的自旋极化度。最上面 生长重掺杂7 0 ，该重掺杂7 0的厚度为1 0 0 nm，该重掺杂7O的材料为GaAs，用来做欧姆接触。
图2是在外加负偏压(表面电极接负，衬底接正)的情况下
半导体低维结构的能带结构示意图以及如何实现高极化度的全
光自旋注入的示意模型，其中各层的标号见图1 。如图2所示，
在负偏置情况下， 一束能量为^的圆偏振光激发把价带的电子
到导带上，由于有外电场的存在，电子积累在入射垒4 3的前端， 空穴则向电子阻挡层6 0漂移，电子空穴分离。在入射垒4 3附 近积累的自旋极化的电子由于是自旋极化的，其极化度大约为5
0 %，自旋向上的电子少于自旋向下的电子。由于电子之间的自
旋交换相互作用，利用准费米能级近似，这样会有不用的费米面
&、 A，箭头代表电子的自旋方向，即自旋向下的电子与自旋向 上的电子。共振隧穿结构4 0在量子阱中会有一个束缚的能级
￡'。在适当的偏压的时候，《能级的高度介于^与^之间，这样 只有自旋向下的电子隧穿到有源层3 0 ，使得隧穿过去的电子的 极化度可以达到1 0 0 %。
图3是在外加激光光照的情况下1 5 K、 4 0 K、 7 0 K温度 下样品的电流电压曲线，激发波长为6 3 2 . 8 nm，入射光强为
1 mW。横坐标为电压，纵坐标为电流，从图中我们明显可以看到 由于光注入产生的电子在电场的作用下积累在入射垒4 3的前 端而同阱内第一个能级发生共振的共振隧穿峰。随着温度的升 高，由于热效应的影响，隧穿峰的峰谷比逐渐减小，但是7 0K 的时候这个隧穿峰还是存在的，如果将结构进一步优化，那么有
9望在常温下常温下实现自旋注入。这个实验初步证实了我们的猜 想，说明我们所提供的这种光学自旋注入方法完全可行，并且有 望在室温下在有源区内获得极化度接近1 0 0%的电子流。 本发明所涉及的高效光学自旋注入方案的工作原理。
激光照射在样品上，起产生吸收的主要区域为表面的GaAs 重掺杂层7 0 ，以及5 0 0 nm厚的GaAs光吸收层5 0 。入射光 源为圆偏振光，那么根据光学选择定则导带产生的电子的极化度 约为5 0 %，给样品加上负向偏置的电压，这样光吸收层5 0内 产生的电子都会在电场的作用下在入射垒4 3的附近聚集。由于 光吸收层5 0的前面是3 Onm厚的A10.4 5Ga0. 5 5As电子 阻挡层6 0 ，这样表面重掺杂区内非极化的电子就不会越过势垒 也聚集在入射垒4 3的附近，降低积累电子的极化度。另外在加 了负向偏压的情况下，电子积累在入射垒4 3附近，而价带的空 穴则同电子反方向运动，积累在光吸收层5 0前面的阻挡势垒的 附近，电子空穴分开，由于电子空穴自旋交换相互作用导致的电 子自旋驰豫机制就不在存在，那么积累的电子的自旋相干性可以 更好的保持。电场对电子的自旋相干性的破坏很小，那么最后聚 集在势垒附近的电子的极化度损失很小。
在稳态光源的激发下，入射垒4 3的前端积累了大量的电 子，然后其极化度就是在不考虑其相干性损失的情况下也只有5 0 %。但是积累的电子有两个费米面， 一个是自旋向下的电子的 费米面A, —个是自旋向上的电子的费米面^，如果积累的电子的数目足够，那么这两个费米面会分得比较开。由于自旋向下的 电子比较多，其费米面要高于自旋向上的电子的费米面。这样可
以设计后面的共振隧穿结构，使得阱内的第一能级￡'的高度介于 这两个费米面之间，那么共振隧穿后进入有源区的电子的就只有 自旋向下的，这样就可以产生自旋极化度为1 0 0 %的自旋极化 电子流。设计的时候入射垒4 3要厚，这样便于电子的积累，出 射垒4 1要薄，使得电子很快可以隧穿到有源区，其极化度不会 损失。
本发明所涉及的半导体低维结构的材料体系。
整个化合物半导体及其异质结只要是直接带隙材料均可采用。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而己，本发明所主张的 权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施
权利要求
1、一种光学自旋注入的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一衬底，在该衬底上生长缓冲层，缓冲层用于平滑衬底，使得后面生长的外延结构完整性好；步骤2在缓冲层上生长有源层，有源层用来操控自旋极化的电子；步骤3在有源层上生长共振隧穿结构，起到自旋滤波的作用；步骤4在共振隧穿结构上生长光吸收层，用来产生自旋极化的电子；步骤5在光吸收层上生长电子阻挡层，用来阻挡避免非自旋极化的电子；步骤6在电子阻挡层上生长重掺杂层，用于做欧姆接触。
2 、根据权利要求1所述的光学自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的电子阻挡层的材料是Al。.45GaQ.55AS，电子阻挡层的厚 度为3 0 nm。
3 、根据权利要求1所述的光学自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的光吸收层的材料是GaAs，光吸收层厚度为5 0 0 nm。
4 、根据权利要求1所述的光学自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的共振隧穿结构包括 一出射垒，该出射垒上生长量子阱，该量子阱上生长入射垒，该共振隧穿结构用于实现自旋滤波， 提高自旋流的极化度。
5 、根据权利要求4所述的光学自旋注入方法，其特征在于，其中所述的出射垒的材料为AlAs，出射垒的厚度为2 nm。
6 、根据权利要求4所述的光学自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的量子阱的材料为GaAs，量子阱的厚度为7 . 5 nm。
7 、根据权利要求4所述的光学自旋注入方法，其特征在于， 其中所述的入射垒的材料为AlAs，入射垒的厚度为5 . 0 nm。
全文摘要
一种光学自旋注入的方法，包括如下步骤步骤1取一衬底，在该衬底上生长缓冲层，缓冲层用于平滑衬底，使得后面生长的外延结构完整性好；步骤2在缓冲层上生长有源层，有源层用来操控自旋极化的电子；步骤3在有源层上生长共振隧穿结构，起到自旋滤波的作用；步骤4在共振隧穿结构上生长光吸收层，用来产生自旋极化的电子；步骤5在光吸收层上生长电子阻挡层，用来阻挡避免非自旋极化的电子；步骤6在电子阻挡层上生长重掺杂层，用于做欧姆接触。
文档编号H01L31/101GK101562213SQ20081010424
公开日2009年10月21日 申请日期2008年4月16日 优先权日2008年4月16日
发明者昊 吴, 孙晓明, 飞 张, 科 朱, 晶 罗, 肖文波, 谈笑天, 郑厚植 申请人:中国科学院半导体研究所