自旋電子學(xué)課件

Ch4自旋電子學(xué)本講（2學(xué)時(shí)）內(nèi)容重點(diǎn)：（1）基本問(wèn)題自旋的注入、輸運(yùn)和檢測(cè)（2）注入的障礙Ch4自旋電子學(xué)本講（2學(xué)時(shí)）內(nèi)容重點(diǎn)：1設(shè)想的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管

基本問(wèn)題（比較MOSFET）源------自旋注入通道---自旋傳輸漏------自旋檢測(cè)門(mén)------自旋控制門(mén)電壓產(chǎn)生“等效磁場(chǎng)”(自旋軌道），影響自旋進(jìn)動(dòng)改變“漏”電流設(shè)想的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管基本問(wèn)題2基本問(wèn)題的含義（1）（1）自旋注入

“使傳導(dǎo)電子自旋極化”即產(chǎn)生非平衡的自旋電子（占有數(shù)）

n↑

≠n↓

方法之一，光學(xué)技術(shù)。光取向或光抽運(yùn)。方法之二，電學(xué)自旋注入。（便于器件的應(yīng)用）

基本問(wèn)題的含義（1）（1）自旋注入3基本問(wèn)題的含義（2）（2）自旋傳輸

自旋電流從FM電極注入半導(dǎo)體，會(huì)在界面和半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生“累積”自旋弛豫機(jī)制會(huì)使得自旋的非平衡轉(zhuǎn)向平衡。

這個(gè)特征時(shí)間大約是幾十納秒，足夠長(zhǎng)?。?）自旋檢測(cè)自旋狀態(tài)的改變。

基本問(wèn)題的含義（2）（2）自旋傳輸4三種自旋注入實(shí)驗(yàn)

工作方式實(shí)驗(yàn)器件優(yōu)點(diǎn)困難1電注―電檢FM/Semic結(jié)電方案效率低2電注―光檢磁性半導(dǎo)體多層電方案低溫3光生―光檢GaAs/ZnSe實(shí)驗(yàn)室易實(shí)現(xiàn)不易應(yīng)用三種自旋注入實(shí)驗(yàn)工作方式實(shí)驗(yàn)器件優(yōu)點(diǎn)困難1電注―電檢FM/5（1）電注入―電檢測(cè)

（之一）FM/Semic界面早期：效率太低，<1％P.R.Hammaretal，PRL83，203（1999）S.Gardelis,etal,PRB60,7764(1999)（1）電注入―電檢測(cè)（之一）FM/Semic界面6（1）電注入―電檢測(cè)

（之二）

近期：FM－肖特基勢(shì)壘－SC，據(jù)稱效率達(dá)到30％。別人尚未重復(fù)！A.T.Hanbickia)etalAPL80，1240（2002）（1）電注入―電檢測(cè)（之二）近期：7（2）電注入―光檢測(cè)（之一）實(shí)驗(yàn)：磁性半導(dǎo)體電注入和偏振光檢測(cè)

(Nature402(1999)790;ibid.408(2000)944)產(chǎn)生：

P型－(Ga,Mn)As

的自旋極化空穴和N型－GaAs的非極化電子進(jìn)入InGaAs量子阱復(fù)合，

產(chǎn)生極化的場(chǎng)致發(fā)光。（T=6K;H=1,000Oe）檢測(cè)：偏振光檢測(cè)（2）電注入―光檢測(cè)（之一）實(shí)驗(yàn)：磁性半導(dǎo)體電注入和偏振8（2）電注入―光檢測(cè)（之二）

場(chǎng)致發(fā)光強(qiáng)度（左）極化度（右）（2）電注入―光檢測(cè)（之二）場(chǎng)致發(fā)光強(qiáng)度（左）9（3）光產(chǎn)生―光檢測(cè)（之一）

WolfSAAwschalometal，Science，2001，294，1488強(qiáng)激光Pump在半導(dǎo)體中，產(chǎn)生了Spin-polarizedstate,此時(shí)的半導(dǎo)體等效于”磁體”.可以用Farady-Kerr效應(yīng)做光檢測(cè)Probe.（3）光產(chǎn)生―光檢測(cè)（之一）WolfSAAwscha10（3）光產(chǎn)生―光檢測(cè)（之二）

（3）光產(chǎn)生―光檢測(cè)（之二）11Schmidt“障礙”電注入的問(wèn)題在那里？

“從鐵磁金屬直接發(fā)射電子到半導(dǎo)體中”?！斑@種自旋注入方式，面臨一個(gè)基本障礙。那就是這兩種材料之間的電導(dǎo)失配?！盨chmidt“障礙”電注入的問(wèn)題在那里？12Schmidt的計(jì)算模型（1）

結(jié)構(gòu)：FM金屬（1）//半導(dǎo)體（2）

//FM金屬（3）

第一界面，為

X＝0，第二界面，為X＝X0

兩流體模型！Schmidt的計(jì)算模型（1）結(jié)構(gòu)：13Schmidt的計(jì)算模型（2）簡(jiǎn)化：1維問(wèn)題（垂直界面方向）任務(wù)：首先，計(jì)算各個(gè)區(qū)域的“化學(xué)勢(shì)”和“自旋極化電流”其次，計(jì)算半導(dǎo)體區(qū)域電流的“自旋注入的效率”

問(wèn)題：電流、化學(xué)勢(shì)、邊條件、電導(dǎo)率失配？Schmidt的計(jì)算模型（2）簡(jiǎn)化：1維問(wèn)題（垂直界14Schmidt的計(jì)算模型（3）

自旋極化率定義其中，分別為FM，SC，F(xiàn)M對(duì)于注入?yún)^(qū)（鐵磁金屬）的自旋極化電流，計(jì)算，接收區(qū)（半導(dǎo)體）自旋極化的電流注意：電流密度是材料、自旋和坐標(biāo)的函數(shù)。Schmidt的計(jì)算模型（3）自旋極化率定義15Schmidt的計(jì)算模型（4）需要，計(jì)算“自旋相關(guān)的”電流密度

。自旋極化電流服從Ohm定律其中，σ↑↓是兩種自旋的電導(dǎo)率，*注意，電流密度與化學(xué)勢(shì)的斜率成比例（?。㏒chmidt的計(jì)算模型（4）需要，計(jì)算“自旋相關(guān)的”電流密16Schmidt的計(jì)算模型（5）為此，先要計(jì)算“自旋相關(guān)的”化學(xué)勢(shì)?；瘜W(xué)勢(shì)服從擴(kuò)散方程

Schmidt的計(jì)算模型（5）為此，先要計(jì)算“自旋相關(guān)的”化17Schmidt的計(jì)算模型（6）求解擴(kuò)散方程

對(duì)于鐵磁材料區(qū)，化學(xué)勢(shì)的形式解是：這里，i＝1，3。X1＝0；X3＝X0。＋（－）分別對(duì)應(yīng)1，3。Schmidt的計(jì)算模型（6）求解擴(kuò)散方程18Schmidt的計(jì)算模型（7）求解擴(kuò)散方程（續(xù)）對(duì)于半導(dǎo)體材料區(qū)，化學(xué)勢(shì)的形式解是：形式解的意義：電流密度與位置（X坐標(biāo)）無(wú)關(guān)。代入擴(kuò)散方程，利用邊界條件求解Schmidt的計(jì)算模型（7）求解擴(kuò)散方程（續(xù)）19Schmidt的計(jì)算模型（8）代入擴(kuò)散方程和Ohm定律，利用邊界條件求解：電流連續(xù)：

電荷守恒：化學(xué)勢(shì)相等

化學(xué)勢(shì)相等Schmidt的計(jì)算模型（8）代入擴(kuò)散方程和Ohm定律，20Schmidt的計(jì)算模型（9）得到了和的方程，如下半導(dǎo)體區(qū)域的電流自旋極化度Schmidt的計(jì)算模型（9）得到了21Schmidt的計(jì)算模型（10）計(jì)算結(jié)果半導(dǎo)體區(qū)的電流密度“自旋極化率”Schmidt的計(jì)算模型（10）計(jì)算結(jié)果22Schmidt的計(jì)算模型（11）

數(shù)值結(jié)果分析（材料因子分子小分母大）FM自旋極化

βFM自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度半導(dǎo)體厚度二者之比60％10納米1000納米10－280％100納米10納米？？10SC電導(dǎo)FM電導(dǎo)二者之比材料因子自旋極化率110＋310－310－52×10－5110＋310－310－21×10－2Schmidt的計(jì)算模型（11）

數(shù)值結(jié)果分析（材料因子分子23理解Schmidt“障礙”鐵磁金屬的電導(dǎo)是半導(dǎo)體電導(dǎo)的1000倍！

鐵磁金屬中載流子濃度約半導(dǎo)體中少數(shù)載流子濃度僅僅盡管，鐵磁金屬中遷移率遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體再一次表現(xiàn)出矛盾：鐵磁有序――需要高濃度電子電子輸運(yùn)――需要低濃度電子理解Schmidt“障礙”鐵磁金屬的電導(dǎo)是半導(dǎo)體電導(dǎo)的124

鐵磁金屬半導(dǎo)體金屬比半導(dǎo)體1載流子濃度高6－7個(gè)量級(jí)2遷移率10（？）低2－3個(gè)量級(jí)3電導(dǎo)

<10高3－4個(gè)量級(jí)4平均自由程λ20nm200－2000納米低1個(gè)量級(jí)5自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度Ls100納米1微米低1個(gè)量級(jí)鐵磁金屬半導(dǎo)體金屬比半導(dǎo)體1載流子濃度高6－7個(gè)量級(jí)2遷移25引言部分的全金屬晶體管問(wèn)題（之一）制造的困難比較半導(dǎo)體SiP－N結(jié)

勢(shì)壘電壓，N施主濃度，p－受主濃度結(jié)的勢(shì)壘寬度濃度N（量級(jí)/立方厘米）14161820勢(shì)壘寬度X（納米）3100310313?引言部分的全金屬晶體管問(wèn)題（之一）制造的困難26引言部分的全金屬晶體管問(wèn)題（之二）(2)電流放大倍數(shù)ββ＝相應(yīng)的集電極電流變化/基極電流的變化β≈（載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度/基區(qū)有效寬度）的平方平均自由程≈20納米，基區(qū)有效寬度>100納米結(jié)論：β不可能大于1。即，沒(méi)有效益。（半導(dǎo)體擴(kuò)散長(zhǎng)度>基區(qū)有效寬度)引言部分的全金屬晶體管問(wèn)題（之二）(2)電流放大倍數(shù)27Rashba的解決“方案”RashbaPRB62,R16267(2000)建議的結(jié)構(gòu)為，F(xiàn)M－隧道結(jié)－SC海軍實(shí)驗(yàn)室Rashba的解決“方案”RashbaPRB62,R28進(jìn)展成功：光注入―光檢測(cè)；電注入―光檢測(cè)；試驗(yàn)：電注入―電檢測(cè)（1）自旋注入

FM－肖特基位壘－半導(dǎo)體，自旋極化度30％（有待重復(fù)？）（2）自旋弛豫時(shí)間

GaAs中，達(dá)到幾百納秒，

Si的價(jià)值很大，弛豫時(shí)間也有10納秒。下圖進(jìn)展成功：光注入―光檢測(cè)；電注入―光檢測(cè)；29弛豫時(shí)間長(zhǎng)

電子濃度低

（半導(dǎo)體）弛豫時(shí)間長(zhǎng)

電子濃度低

（半導(dǎo)體）30進(jìn)展（續(xù)）（3）磁性半導(dǎo)體繼續(xù)提高居里點(diǎn)和遷移率。（4）檢測(cè)技術(shù)電子自旋感應(yīng)核子自旋，導(dǎo)致NMR信號(hào)的改變。（5）電場(chǎng)控制FM?？块T(mén)電壓改變載流子密度可以控制（In，Mn）As中磁化強(qiáng)度的反轉(zhuǎn)。開(kāi)辟了電控自旋電子學(xué)