[发明专利]一种高极化度自旋注入与检测结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种高极化度自旋电学注入与检验结构，特别是用铁磁性半金属Co₂FeAl薄膜产生自旋极化电子流，用多量子阱LED检测极化度。

背景技术

现代信息技术的基础是半导体和铁磁材料，在集成电路中利用电子的电荷处理信息和传输信息，在磁性金属的多层结构中利用磁性材料的自旋自由度来进行信息的写入和读取。由于器件尺寸越来越小，量子效应变得越来越显著，摩尔定律受到挑战。近年来新兴的自旋电子学被认为是未来可能改变信息技术的一个重要研究领域。自旋电子学探索在器件中利用电子的自旋属性同时进行信息的处理和存储。传统的电子学器件电荷的相互作用能在电子伏量级，而自旋的相互作用能为毫电子伏量级，因此自旋器件比传统器件具有更低的功耗。以III/V族化合物GaAs，AlGaAs等材料制成的自旋器件可以跟传统半导体工艺衔接，节约了重新铺设生产线的成本，目前是研究的热点方向。传统的电子学依赖于正负电荷分离运动，即产生电流，自旋器件则利用的是电子自旋向上和自旋向下两种状态，因此首先面临的挑战就是如何产生具有自旋极化度的电子流，即自旋注入，相伴注入另一核心问题是如何检验自旋极化度。

已有的自旋注入方法可以分为两类，一类是光学注入，用圆偏振光激发半导体，引入自旋极化电子，一类是电学注入，多为外加电压，驱动铁磁金属中自旋极化电子注入到半导体中去。在电学注入方法中，一般尝试的是用铁磁性金属作为注入源，然后由于铁磁性金属和半导体的电阻失配率较高，以及铁磁金属本身自旋极化率较低，导致注入的效率较低(＜30％)。为了克服上述问题，本发明采用铁磁性半金属薄膜作为自旋注入源。铁磁性半金属的特点在于具有两个不同的自旋子能带，一种自旋取向的电子呈现金属性，另一种自旋取向的电子呈现绝缘体或半导体性质，有利于解决电阻率不匹配问题，同时，由于在费米面附近传导电子自旋方向都相同，极化率为100％，隧穿后的电流保持高自旋极化率，因此半金属薄膜是理想的自旋注入源。

自旋检测方法也有光学和电学方法两类，电学方法如利用GMR、TMR效应检测自旋极化度，光学方法可以利用探测到的电致荧光的偏振度检测，即自旋极化的电子在电场的驱动下漂移到量子阱中和衬底方向漂移过来的空穴复合发光，检测发出荧光的偏振度从而推断出电子自旋极化度。电子在漂移过程中会经历各种弛豫过程，目前采用这种方法的样品结构多为单量子阱，这种结构只能得到在该量子阱处的信息，无法得知自旋极化的空间分布情况，本发明采用多量子阱，具体为三个不同宽度的量子阱，三个量子阱和注入结的距离不同，可得到空间分辨的自旋迟豫信息。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种高极化度自旋电学注入与检测结构，以得到自旋在空间中迟豫的信息。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种高极化度自旋注入与检测结构，包括：

一衬底；

一缓冲层，生长在衬底之上，用于平滑衬底；

一重掺杂下电极层，生长在缓冲层之上，用于做欧姆接触和提供复合发光所需的空穴；

一LED结构P区，生长在重掺杂下电极层之上；

一多量子阱结构，该多量子阱结构中各量子阱距离注入结的距离不同，量子阱的宽度不同，用于通过光探测的方法得到注入电流的自旋极化度和空间分辨的自旋迟豫信息；

一LED结构N区，生长在多量子阱结构之上；

一铁磁性半金属薄膜，生长在LED结构N区之上，作为自旋电子流的注入源。

上述方案中，所述衬底采用的材料为半绝缘GaAs，在该衬底上生长各层外延材料。

上述方案中，所述缓冲层采用的材料为半绝缘GaAs。

上述方案中，所述重掺杂下电极层采用的材料为p⁺-GaAs，厚度是100nm，掺杂浓度n＝1×10¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述LED结构P区采用的材料为p⁺-Al_0.1Ga_0.9As，厚度为100nm，掺杂浓度n＝1×10¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述多量子阱结构包括依次生长的：

第一势垒层，厚度100nm；

第一势阱层，厚度20nm；

第二势垒层，厚度25nm；

第二势阱层，厚度12nm；

第三势垒层，厚度25nm；

第三势阱层，厚度8nm；以及