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1、 自旋场效应晶体管 摘要：自旋电子学是近年来新兴的备受关注的学科，其开展讲对未来电子工业开展起到重要作用。本文介绍了以自旋电子学为根底的一种新型半导体器件自旋场效应晶体管，简要介绍了其根本原理，研究现状，及电导特性，应用前景。关键词：自旋电子学 电光效应 自旋注入效率引言：自旋电子学自1994年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学科而备受科学界和电子工业界的关注，具有广阔的应用前景。自旋电子学的出现被称为是1999年物理学界十大重大事件之一，它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点，并将成为本世纪信息产业的根底，对未来的电子工业开展将起到举足轻重的作用。 作为现代
2、信息产业根本元素的半导体器件， 是以电子或空穴的电荷特征来传递信息，而 电子自旋由于随机取向，因而不携带信息。具体 地说，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向混乱，因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够了。自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，它将通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着微加工技术和大规模集成电路的开展，电子器件的尺寸越做越小，当尺度在纳米范围内，自旋在很多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等。因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。 自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取得了巨大的成绩，
3、如利用巨磁电阻GMR效应做的磁头用在计算机2000年世界硬盘的产量已达2亿台硬盘存储上，使记录密度由1988年得50Mb/in开展到2003年的100Gb/in，提高了千倍之多。这充分说明了GMR是未来外储存器市场最重要的类型产品，它将促进我国计算机技术的开展并带来巨大的经济效益。此外，利用GMR效应制备的磁随机存储器MRAM作为计算机内存芯片将是下一步推进计算机技术开展的一场革命，并有可能取代半导体芯片。19992001年，美国的IBM，摩托罗拉，德国的Infineon等公司先后研制成功了实用的MRAM芯片。但这些还仅仅是自旋电子学的初步应用，目前，自旋极化电子在半导体的有效传输，操纵已根本
4、实现。2002年6月?SCIENCE?杂志还报道了利用电子自旋特性制作的亚微米尺寸磁性“非门和存放器，利用电子自旋还有可能制作自旋电子学器件，来实现量子计算，量子通信等，这些研究应用的理论根底就是自选输运的研究。在基于自旋的电子器件中，最富创意的就是有Datta和Das提出的自旋场效应晶体管。 自旋场效应晶体管的根本原理1990年Datta和Das 首次提出了利用电子自旋特性的新型电子器件自旋场效应晶体管自旋场效应晶体管。根本结构如图1所示,这是一个类似三明治的结构,两边是铁磁性材料充当自旋相关载流子的源与漏,中间是由窄带半导体材料（InAlAs）和衬底（InGaAs）形成的二维电子气. 为了
5、说明这个器件的工作原理,我们可以通过电光效应来作类比阐述. 图2是电光效应的光学调制器的示意图.光束通过左边的起偏器后,入射光就变成了沿与y轴成45角偏振的线偏振光,它可表示成沿y轴偏振的线偏振光与沿z 轴偏振的线偏振光的线性组合. 当此偏振光通过光电材料时,因为电光效应使介电常数yy和zz变得稍有所不同,这两种偏振成分将经历不同的相位移动k1 L与k2 L,这里的k1 和k2 分别是光沿y方向和z 方向的波矢,因此出射光的极化状态就可以表示为（） ;而输出端处的检偏器只让沿（1,1）的成分通过,于是出射光强P0 可由下式给出 1因此出射光强就可以通过门电压控制相移差来调节。如图1所示,在自旋
6、场效应晶体管中,极化器和分析器可由铁磁材料实现. 铁磁材料的费米能处一种自旋电子的态密度远远超过另一种自旋电子的态密度,所以铁磁电极优先注入和探测一种自旋电子. 实验上已证明利用坡莫合金电极可使自旋流极化率高50%. 沿+x方向磁化的电极优先发射和探测自旋沿+x方向的电子,根据量子力学,它可表示成自旋沿+z 方向的电子态与自旋沿- z方向的电子态的线性组合,即 2如果有一种与电光材料类似的材料,它能在自旋沿+z 方向的电子与自旋沿- z 方向的电子之间产生不同的相移,并且相移差可由门电压控制,那么就能实现电流的调制; 窄禁带半导体（如InGaAs） 正好能提供这种功能. 理论和实验都已证实在窄
7、禁带半导体的二维电子气中零磁场下自旋向上与自旋向下的电子间有能量劈裂,这种零场自旋劈裂的主要机制是有效质量哈密顿量中的自旋轨道互作用的Rashba项为 3这一项起源于异质结界面处的垂直电场,这里的是自旋轨道互作用的强度系数. 其他机制（如体反演不对称项）也会对零场自旋劈裂有奉献,但在窄禁带半导体中通常很小,因此可忽略. 容易看到Rashba项引起了相同能量的自旋沿+z 方向的电子与自旋沿- z 方向的电子有不同的波矢k1 和k2 . 考虑一个沿+x方向运动的具有kz =0, kx 0的电子,那么Rashba项HR 等于zkx. 这使自旋沿+z 方向电子的能量提高了kx ,而使自旋沿- z 方向
8、电子的能量降低了相同的值,所以有 4 5显然在自旋沿+z 方向和自旋沿- z 方向的电子间产生了正比于自旋轨道耦合系数的相移差 6一个显然的问题是是否足够大以使得在一个平均自由程中能到达的相移差, 对InGaAs/InAlAs异质结,从实验上观察到的零场自旋劈裂,可以估算出大约为3010- 12eVm,这给出L（=） =0. 11m;自旋轨道耦合常数正比于异质结界面处电场的期望值,原那么上可通过门电压加以控制. 使用铁磁电极作为极化器与分析器、以及使用窄禁带半导体在两种自旋电子之间引入可由门电压控制的相移差,从而实现与光调制器类似的基于电子波的电流调制的器件。自旋场效应晶体管的提出是自旋电子学
9、中最有影响的概念之一。它是借助于自旋轨道相互作用的完全电学操控自旋动力学的方案,而传统方案是通过外加磁场来控制自旋。 众所周知,在非常小的体积和非常短的时间尺度中产生及控制电场远比控制磁场容易,因此全电学方案为有效的自旋局域操作和利用现成的传统高速数字电子线路的集成技术提供了可能。 在设想的自旋场效应晶体管器件中,当自旋（方向指向输运方向）从源极注入半导体量子线时,由于受到门电压调节的Rashba自旋轨道互作用（起源于异质结的结构反演不对称性） ,它就在这非磁区域中以一种被控制的方式进动,最后以一定的概率（依赖于进动的角度）进入漏极，于是这种含极化器和分析器的电学方案将能调节自旋极化的源漏极电
10、流。自旋场效应晶体管的研究现状和存在的问题自旋场效应晶体管自提出后引起了人们的极大兴趣,很多研究小组对此进行了研究。尽管自旋电子学的前景诱人,但是基于自旋的电子器件真正走向实用还面临一些困难:（1） 要有足够的自旋注入效率. 因为高自旋注入效率才是基于自旋的半导体电子器件走向应用的前提. 实验上发现铁磁金属通过欧姆接触注入到半导体后其自旋极化率一般只有0. 1%1%. G. Schmidt 等人指出从铁磁金属到半导体之所以得不到高的自旋注入效率,根本原因在于金属和半导体的电导不匹配,E. Rashba和A. Fert 等人提出在铁磁金属和半导体之间加一势垒,利用自旋相关隧穿电阻克服这一缺陷,可
11、大大提高自旋电子的注入效率,最近有报道称在GaAs外表外延长一层铁形成肖特基势垒,利用光学的测量方法,在室温下得到了2%的自旋注入效率,但与走向应用的期望值仍有较大距离,且付出了减小电流的代价. 2002年7月的Appl. Phys. Lett 报道了V. Motsnyi 等人利用1. 4nm厚的氧化铝薄膜AlOx 作为绝缘层,以CoFe为铁磁金属,在80K温度和3V电压下在半导体中得到了自旋极化为9. 2%的电流. 这种加偏压的方法虽然对自旋注入效率有所提高,但也很有限. 后来有研究小组发现铁磁半导体注入到普通半导体的效率较高,但是由于目前铁磁半导体的居里温度太低（一般小于20K） ,无法实
12、现在室温下应用. （2） 应该实现通过具有均匀Rashba参数（通过消除界面不均匀性所产生的不需要的电场）的通道的弹道型自旋极化输运而且Rashba参数应该是可由门电压有效控制的. （3） 结构反演不对称应该远远超过体反演不对称,并且自旋进动率必须足够大以便在弹道输运中到达至少半个周期的进动. 这3个因素给在室温下制造Datta2Das 自旋场效应晶体管提出了巨大挑战,要求把设计限制到特殊材料和非常干净的界面. 其中由门电压调节已经在In0:53 Ga0:47As/ In0:52Al0:48As量子阱和GaAs/ AlGaAs 二维电子气中令人信服地实现了。Gardelis 等人对Datta2
13、Das 自旋场效应晶体管系统中磁阻进行了最初的实验研究。Winkler应用p模型研究了包括体反演不对称的Datta2Das自旋场效应晶体管中的自旋进动;存在与方向有关的体反演不对称的情况下,通过晶体管的电导强烈地依赖于二维通道的结晶取向. Pareek和Bruno使用紧束缚近似进行了模型计算. Matsuyama等人对Datta2Das自旋场效应晶体管这一主题进行了进一步的理论研究. 人们也提出了各种不同的自旋场效应晶体管,甚至用外加强度均匀的旋转磁场来代替铁磁电极. Ciuti等人提出了具有非磁的源极和漏极,但在基质通道上有两个串联的铁磁门的铁磁氧化物半导体晶体管,门的磁化方向的相对取向导致
14、了磁阻效应.自旋场效应管的电导特性自旋场效应晶体管中的电导特性与自旋轨道耦合强度、界面势垒高度以及铁磁源极与漏极的自旋极化率都有依赖关系. 在考虑Dresselhaus效应以后,我们通过研究说明,在界面势垒稍高的自旋场效应晶体管中电导表现出极好的开关效应. 而且此开关效应既不需要铁磁源、漏极,也不需要自旋极化的注入. 它在很大的程度上依赖于准一维电子气通道中的相干弹道型输运. 实际上可以通过调节劈裂门电压来改变Dresselhaus 自旋轨道耦合强度从而可对自旋场效应晶体管进行开和关操作. 另一方面,在近似欧姆接触的自旋场效应晶体管中有主要起源于Rashba 和Dresselhaus 自旋进动
15、的显著的电导调制. 这个工作已经发表在美国的?应用物理快报?上. 如果在自旋场效应管中参加磁场,电导随磁场的变化也表现出很好的磁开关效应. 研究还说明,自旋场效应管的电导随中间层半导体的厚度和两边铁磁的磁化方向变化而呈现出明显的量子振荡效应,而且铁磁和半导体价带间的匹配性等对电导也有较大影响。结语总之,电子不仅仅是电荷的载体,而且还是自旋的载体,这一新的自由度的参加大大丰富了微电子学的研究内容,为大量新型电子器件的诞生提供了新的源泉. 自旋电子学的兴起和开展必将给电子学的开展带来革命性的变化,随着研究的深入人类最终也将从中受益. 本文在考虑电子自旋特性的根底上介绍了自旋场效应晶体管这一新型晶体
16、管的根本原理和研究进展,我们研究发现,自旋场效应管的电导具有很好的开关特性,在有磁场时也呈现出明显的磁开关特性,希望我们的研究对自旋场效应晶体管的研究实用有所裨益。自旋电子学是一门有着广阔应用前景和重要理论研究价值的学科，为微电子学和磁学开拓出更大的开展空间和内涵。目前，自旋电子学还有大量的器件 ，物理方面的问题有待于从理论和实验两个方面解决。 自旋电子学和自旋器件的突破将为微电子，纳电子器件以至整个信息科学领域展现一个全新的图景。参考文献：【1】 陈培毅 邓宁 自旋电子学和自选电子器件 微纳电子技术 2004 第3期【2】 张吉英 自旋电子学及其器件应用 光机电信息 NO.9,2004【3】 韩秀峰 自旋电子学材料 物理和器件设计原理的研究进展 物理37卷（2021年） 6期【4】 Supriyo Datta and Biswajit Das Electronic analog of the electrooptic Appl. Phys. Lett,1990,56:665modulator【5】 夏建白 葛惟昆 ?半导体自旋电子学? 科学出版社，2021