基于半導(dǎo)體的自旋電子技術(shù)

基于半導(dǎo)體的自旋電子技術(shù)

0自認生物學(xué)在電子自旋控制研究中的應(yīng)用進展除了電子表格，電子還具有內(nèi)部報告的自適應(yīng)屬性。將自旋引入傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件中,用電荷和自旋共同作為信息的載體,可以發(fā)展新一代的自旋電子器件。長期以來,作為半導(dǎo)體和磁性材料最為重要的功能之一,信息處理與信息存取分別利用電子的電荷屬性和自旋屬性,兩者各自獨立地發(fā)展。但近年來,隨著電子器件的進一步小型化和亞微米乃至納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,由于散熱和工藝尺寸等因素的影響,基于電荷載體的半導(dǎo)體微電子學(xué)的研究進展受到很大限制,與此同時,金屬自旋閥中巨磁電阻和隧道磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了磁存儲和磁記錄領(lǐng)域的革命,并由此產(chǎn)生了圍繞電子自旋控制的跨越半導(dǎo)體和磁性材料的全新研究領(lǐng)域——自旋電子學(xué)。目前,自旋電子學(xué)的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、信息科學(xué)及新材料等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點。自旋電子學(xué)主要研究與電子電荷和自旋密切相關(guān)的過程,包括自旋源的產(chǎn)生、自旋注入、自旋輸運、自旋檢測及自旋控制,最終實現(xiàn)新型的自旋電子器件,如自旋量子阱發(fā)光二極管、自旋p-n結(jié)二極管、磁隧道效應(yīng)晶體管、自旋場效應(yīng)晶體管、量子計算機等。自旋電子學(xué)領(lǐng)域目前所關(guān)心的核心問題是利用系統(tǒng)材料與自旋相關(guān)的物理機制,實現(xiàn)非磁材料自旋注入和對自旋的操控,探測單個自旋、自旋相干性和自旋的弛豫等。目前,人們普遍利用磁性材料實現(xiàn)自旋注入與檢測;光學(xué)方法也有一定的應(yīng)用,但基于電學(xué)方法的易于控制和實現(xiàn)以及現(xiàn)已發(fā)展相當成熟的半導(dǎo)體技術(shù),如何用電學(xué)方法在半導(dǎo)體材料中有效地控制電子自旋,引起人們的極大關(guān)注。自旋注入是實現(xiàn)自旋電子器件最基本的條件,隨著自旋電子學(xué)在磁性和非磁性金屬上的巨大成功,自旋注入半導(dǎo)體材料越來越受到人們關(guān)注。磁性材料/半導(dǎo)體界面的自旋注入是最基本的半導(dǎo)體自旋注入結(jié)構(gòu)。作為自旋極化源的磁性材料有鐵磁金屬、磁性半導(dǎo)體和稀磁半導(dǎo)體三種。磁性半導(dǎo)體有較高的自旋注入效率,但是磁性半導(dǎo)體(如硫化銪)的生長極其困難,因此研究就集中在從稀磁半導(dǎo)體和鐵磁金屬向非磁半導(dǎo)體內(nèi)的注入。稀磁半導(dǎo)體的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度遠低于室溫,雖然理論預(yù)測某些材料的鐵磁轉(zhuǎn)變溫度可以高于室溫,但是在開發(fā)出可以在室溫下應(yīng)用的稀磁半導(dǎo)體之前,鐵磁金屬/半導(dǎo)體的接觸仍然是實現(xiàn)從自旋注入、操縱到檢測全部電學(xué)控制的最有希望的方法。本文以磁性材料/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)注入為主,介紹實現(xiàn)半導(dǎo)體中自旋注入的方法及其研究進展。1在半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用我們知道,一般的半導(dǎo)體是非磁性材料,其中的能級都是自旋簡并的,即對于電子來說,自旋向上和自旋向下的量子態(tài)沒有區(qū)別,因而半導(dǎo)體材料的凈自旋為零?？梢杂檬┘哟艌龅姆椒▉斫獬芗壍淖孕啿⒍?使自旋向上和自旋向下的量子態(tài)不再等價。但是,這往往需要很強的磁場,可能超過能夠得到的永磁體的性能,而且,即使能夠做到,在電子器件中使用永磁體,從經(jīng)濟的角度來說也是不可取的,因為永磁體往往要占用較大的體積,高性能的永磁體價格也很貴。另一種方法是將永磁性材料的薄膜直接生長在半導(dǎo)體材料的表面,或者用稀磁材料對半導(dǎo)體進行摻雜,然后用電注入的方法將磁性材料中的某一自旋狀態(tài)的電子注入到半導(dǎo)體材料中。但是,磁性材料和半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)極其不同,這樣制備高質(zhì)量的材料非常困難,自旋的注入效率也很低。所以,很多研究小組致力于用光學(xué)的方法在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生總自旋。我們知道,光是振蕩的電磁場,電磁場的振蕩方向和光的傳播方向垂直。根據(jù)電磁場的振蕩方向,相干光(如激光)可以分為圓偏振光或線偏振光,其實這兩者是緊密聯(lián)系,可以互相表示的。固體材料中的電子對不同偏振的相干光的響應(yīng)不同,比如,用左旋的圓偏振光就只能將一個本來處于自旋向下的量子態(tài)的電子激發(fā)到另一個自旋向上的量子態(tài)去,而對本來處于自旋向上的量子態(tài)的電子沒有影響,而右旋的圓偏振光的作用正好相反。這樣一來,只要使用具有適當偏振方向的激光就可以在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生凈自旋。2金屬界面電阻對因子消除系統(tǒng)的影響在鐵磁金屬(FM)中,自旋向上的多數(shù)載流子與自旋向下少數(shù)載流子的電導(dǎo),差別是比較大的,從而可以得到自旋極化的電流。為了在半導(dǎo)體(SC)中得到自旋極化的電流,一種簡單直接的方法就是在FM和SC間形成歐姆式接觸。由于鐵磁金屬材料的居里溫度Tc一般比較高,人們希望能夠?qū)崿F(xiàn)室溫下高的自旋注入效率。但是結(jié)果令人失望,采用歐姆式接觸得到的自旋注入效率小于1%。一般來說,半導(dǎo)體中電子的化學(xué)勢比金屬高,在金屬和半導(dǎo)體形成歐姆接觸時,往往要對半導(dǎo)體中靠近金屬界面的地方進行重摻雜,這樣,當金屬中的電子流經(jīng)金屬/半導(dǎo)體界面時就會受到很強烈的散射,可能會出現(xiàn)大量的自旋反轉(zhuǎn),從而導(dǎo)致自旋極化率的損失。為此,最早的研究利用化學(xué)勢和金屬相差不多的半導(dǎo)體材料InAs和鐵磁金屬以歐姆接觸的形式結(jié)合起來,InAs是少數(shù)幾種可以和過渡金屬形成陡峭界面且無Schottky勢壘的歐姆接觸材料之一。盡管做了大量的研究,仍然只能在T<10K下得到4.5%的自旋極化注入。在前人對自旋擴散輸運研究的基礎(chǔ)上,Schmidt等用擴散的方法從理論上對此進行了分析,指出電導(dǎo)率失配是鐵磁金屬與非鐵磁金屬(NFM)歐姆型注入中存在的一個基本問題。由于電子在半導(dǎo)體中的自旋擴散長度很大,因此可以把電流看成自旋向上和向下的兩分支并聯(lián)在電路中。由于金屬比半導(dǎo)體的電導(dǎo)大幾個數(shù)量級,因而根據(jù)歐姆定律,電流主要由電阻大的部分,即半導(dǎo)體部分的電阻決定,由于自旋向上和向下的兩分支電流在半導(dǎo)體部分的電導(dǎo)基本相同,所以兩分支電流也就相差不多,因而自旋注入效率當然很低。只有當鐵磁體中的載流子是100%極化時,才有可能在擴散輸運中得到有效的自旋注入。電導(dǎo)率失配模型有一定的局限性。首先,該模型是建立在漂移擴散輸運基礎(chǔ)上的,并不適用于彈道輸運和隧穿輸運;其次,該模型假設(shè)界面是沒有電阻的,沒有考慮金屬/半導(dǎo)體接觸可能形成的自旋相關(guān)的界面電阻,而界面電阻的性質(zhì)是決定自旋注入的重要因素。因此,不能根據(jù)這一理論斷定鐵磁金屬向半導(dǎo)體內(nèi)的自旋極化注入是不可行的。3鐵磁/絕緣層/鐵磁電極的復(fù)合注入方法根據(jù)Schmidt等人的分析,要想提高從金屬到半導(dǎo)體的自旋注入效率,需要很小的依賴自旋方向的電導(dǎo)。在FM和SC間插入具有自旋選擇性的界面電阻Rint(比RFM,RSC都高)可以解決這個問題。于是Rashba從理論上提出采用鐵磁金屬/絕緣層/半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu),使電子獲得一個自旋有關(guān)的大隧穿電阻,以期達到電導(dǎo)匹配,進而提高自旋注入效率。實驗上,Alvarado和Renaud在利用有磁性探針的掃描隧道顯微鏡(STM)時發(fā)現(xiàn),可以通過真空隧穿在半導(dǎo)體中得到有效的自旋注入,表明隧穿過程是一個有效的實現(xiàn)自旋注入的方法,但它的缺點是電流太小,因為中間插入的絕緣層電阻太大。后來人們拋棄絕緣層,利用金屬和半導(dǎo)體接觸形成的Schottky勢壘代替絕緣層勢壘。于是實驗工作者努力在半導(dǎo)體上面長一層鐵磁金屬,形成高質(zhì)量的Schottky勢壘。Zhu等人在GaAs表面外延生長一層鐵形成Schottky勢壘,利用光學(xué)測量方法,在室溫下得到2%的自旋注入效率。這與人們期望的高注入效率仍然相差很遠,于是有人提出換一種鐵磁材料,用鐵磁半導(dǎo)體代替鐵磁金屬作為注入源。Ohno等采用鐵磁半導(dǎo)體作為注入源,得到了很高的自旋注入效率,但是鐵磁半導(dǎo)體的居里溫度很低,遠遠低于人們的理想目標——室溫。進一步的研究表明了表面結(jié)構(gòu)對STM自旋相關(guān)隧穿的影響。高阻抗的鐵磁/絕緣層/鐵磁結(jié)構(gòu)也已經(jīng)證實,隧道勢壘可以使隧穿過程中自旋極化保持不變,表明隧穿可能是比擴散輸運更有效的自旋注入方法。如果勢壘足夠高,那么在界面的輸運就取決于結(jié)兩邊電極的自旋相關(guān)電子態(tài)密度。如果通過界面的電流足夠小,使電極處于平衡態(tài),那么,自旋相關(guān)的電導(dǎo)率比例對于界面處自旋輸運的影響就很小。因此,采用鐵磁電極的MIS隧穿二極管或金屬/半導(dǎo)體Schottky勢壘二極管可能成為自旋注入到半導(dǎo)體內(nèi)的有效方法。理論計算也證實了這個結(jié)論。實驗上,在100K下,用一個100%自旋極化的STM探頭作為電子源,將極化的電子注入p型GaAs的表面,并同時記錄下重組發(fā)光的極化程度,結(jié)果表明高度自旋極化流(92%)能夠注入到GaAs中。而更令人激動的報道是在室溫下,利用從GaAs上長出的鐵薄層使GaAs的自旋注入效率達到2%,并在25～300K之間都得到了相同的結(jié)果。這看上去與文獻指出的從金屬到半導(dǎo)體的自旋注入由于受電阻不匹配影響而小于0.1%的預(yù)測不符,而實際上,這正是使用了隧道注入方法的結(jié)果。只要優(yōu)化鐵和GaAs的界面及所用儀器的結(jié)構(gòu),就會得到更好的結(jié)果。這使得鐵成為自旋注入半導(dǎo)體的有力候選者,并為室溫下工作的電子自旋器件的研究鋪平了道路。美國海軍研究實驗室的Johnson認為,這個工作是十分重要的,許多研究都會轉(zhuǎn)向鐵,它將給自旋場效應(yīng)管的研究帶來革命性的變化。隧道結(jié)注入的另一種方式稱為彈道電子自旋注入,即在彈道狀態(tài)的FM/SC界面間進行自旋注入。鐵磁性金屬的兩個自旋子帶和半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的差異,決定了界面處的彈道電子傳輸幾率是自旋相關(guān)的。通常我們在彈道隧穿過程中假設(shè)橫向動量是守恒的,這也要影響界面上彈道電子的透射和反射幾率。4光催化氧化法由于鐵磁金屬與半導(dǎo)體材料直接形成歐姆接觸形成Schottky勢壘,自旋注入效率極低。為了克服Schottky勢壘,有兩個辦法,尋求磁性半導(dǎo)體材料或利用隧道效應(yīng)。人們在這方面進行了大量的理論和實驗研究工作,用磁性半導(dǎo)體注入半導(dǎo)體材料是目前重要的研究方向。半導(dǎo)體材料之所以應(yīng)用廣泛,在于可以通過很少量的n型或p型雜質(zhì)改變其特性,因此人們想到通過摻入磁性離子來改變其磁性。磁性半導(dǎo)體材料主要指稀磁半導(dǎo)體(DilutedMagneticSemiconductors,DMS),即非磁性半導(dǎo)體中一部分原子由磁性過渡族金屬離子或稀土金屬離子部分地替代非磁性陽離子所形成的新一類半導(dǎo)體材料。DMS具有半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu),而且晶格常數(shù)也與一般半導(dǎo)體類似,因此作電子器件時能夠和一般半導(dǎo)體形成良好接觸,而且可以避免金屬/半導(dǎo)體接觸常有的生成金屬/半導(dǎo)體化合物的問題,這種化合物會使電子自旋通過時發(fā)生跳變。DMS的研究早期大多集中在Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體如CdTe和ZnS等,這是因為一些磁離子如Mn2+可以很容易地通過代替Ⅱ族陽離子進入Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體。但由于存在n型和p型摻雜的困難,限制了其器件應(yīng)用。同現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相容的方法是引入高濃度的磁離子使非磁性的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體帶磁性。但Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體磁性化的主要障礙是磁離子在其中的固溶度太低。由于磁效應(yīng)大致正比于磁離子的濃度,固溶度低于1018cm-3的磁離子起不了什么作用,因此這一研究領(lǐng)域一直裹足不前。但隨著材料外延技術(shù)的發(fā)展,分子束外延技術(shù)的低溫非平衡生長工藝克服了這一困難。繼1989年Munekata等人成功生長出(In,Mn)As之后,(Ga,Mn)As和其它一些Ⅲ-Ⅴ族磁半導(dǎo)體相繼制備出來。2001年,Tanaka等在(GaMn)As/AlAs/(GaMn)As隧道結(jié)中獲得隧穿磁阻(TMR)值為70%,超過了氧化鋁為絕緣層的FM/I/FM的TMR值,引起人們極大興趣。2004年,Yamanouchi等用(Ga,Mn)As/(In,Ga)As/GaAs做成特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu),用自旋極化電流驅(qū)動磁疇壁,控制磁化強度反轉(zhuǎn),構(gòu)成磁信息存儲器件。遺憾的是(Ga,Mn)As的居里溫度為110K,室溫下不能用。因此人們開始尋找室溫下的稀磁半導(dǎo)體。人們嘗試在各種氧化物半導(dǎo)體中摻雜磁性元素,例如在ZnO,TiO,SnO和GaN中摻雜磁性元素,獲得一些Tc超過室溫的稀磁半導(dǎo)體。但是至今還沒有找到適合在室溫下能做磁隧道結(jié)的稀磁半導(dǎo)體,而且同樣的材料不同研究者做出來的結(jié)果都不一樣,機理也沒有完全弄清楚。目前稀磁半導(dǎo)體的最大挑戰(zhàn)是如何提高其居里溫度。要使Tc升高到室溫以上,根據(jù)平均場理論,首先應(yīng)當增加磁原子密度(x)和空穴密度(p),同時應(yīng)滿足x>p。例如在(Ga,Mn)As中,若p=3.5×1020cm-3,要使Tc高于室溫,則x需增大到0.15。假定磁原子密度能夠達到這樣的數(shù)值,而空穴密度又類似于(Ga,Mn)As,那么高Tc就只能期望在寬帶半導(dǎo)體GaN或ZnO中存在,因為輕元素和小的晶格常量只能導(dǎo)致較小的自旋—軌道相互作用。近來有一些Tc高于室溫材料的報道,如(Cd1-xMnx)GeP2的Tc=320K,(Zn,Co)O的Tc為280～290K,CrSb的Tc>400K,摻Mn的GaN稀磁半導(dǎo)體的Tc高達940K。5有機半導(dǎo)體材料的參保由于存在電導(dǎo)率不匹配等原因,直接從鐵磁金屬向半導(dǎo)體中注入自旋極化載流子是比較困難的,注入效率非常低。雖然人們提出了許多方法如隧道注入等來解決鐵磁金屬和半導(dǎo)體電導(dǎo)率不匹配的難題,在自旋注入半導(dǎo)體方面也取得了許多的進展,但是利用無機半導(dǎo)體作為中間層的自旋閥還沒有實現(xiàn),而自旋注入有機半導(dǎo)體卻取得了極大的進展。據(jù)2004年美國猶他大學(xué)的施靖教授報道,在以有機半導(dǎo)體Alq3作為中間層,以LSMO和金屬Co作為磁性電極的有機自旋閥中,在11K的低溫下發(fā)現(xiàn)了40%的巨磁電阻效應(yīng)。有機半導(dǎo)體材料中的自旋注入、輸運等具有許多不同于無機材料的特性,有機半導(dǎo)體材料因不存在晶格匹配問題,自旋相干長度大等特點,成為自旋注入半導(dǎo)體材料