自旋電子器件-自旋場效應(yīng)晶體管

自旋場效應(yīng)晶體管摘要：自旋電子學是近年來新興的備受關(guān)注的學科，其發(fā)展講對未來電子工業(yè)發(fā)展起到重要作用。本文介紹了以自旋電子學為基礎(chǔ)的一種新型半導體器件—自旋場效應(yīng)晶體管，簡要介紹了其基本原理，研究現(xiàn)狀，及電導特性，應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：自旋電子學電光效應(yīng)自旋注入效率引言：自旋電子學自1994年被確認為凝聚態(tài)領(lǐng)域的一個新型交叉學科而備受科學界和電子工業(yè)界的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。自旋電子學的出現(xiàn)被稱為是1999年物理學界十大重大事件之一，它的研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、信息科學及新材料等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的研發(fā)熱點，并將成為本世紀信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，對未來的電子工業(yè)發(fā)展將起到舉足輕重的作用。作為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)基本元素的半導體器件，是以電子（或空穴）的電荷特征來傳遞信息，而電子自旋由于隨機取向，因而不攜帶信息。具體地說，通常電子在輸運過程中由于碰撞而導致自旋磁矩在空間的取向混亂，因此在宏觀輸運性質(zhì)中僅需要考慮電子具有電荷就足夠了。自旋電子學不僅利用電荷，而且需利用電子的自旋特性，它將通過操縱電子自旋來進行信息處理。隨著微加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，電子器件的尺寸越做越小，當尺度在納米范圍內(nèi)，自旋在很多方面要比電荷更優(yōu)越，如數(shù)據(jù)處理快、能耗低、集成度高、穩(wěn)定性好等。因此，自旋電子將會逐步取代微電子而成為工業(yè)的主流。自旋電子學器件的應(yīng)用，特別是在計算機信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用已取得了巨大的成績，如利用巨磁電阻（GMR）效應(yīng)做的磁頭用在計算機（2000年世界硬盤的產(chǎn)量已達2億臺）硬盤存儲上，使記錄密度由1988年得50Mb/in發(fā)展到2003年的100Gb/in，提高了千倍之多。這充分說明了GMR是未來外儲存器市場最重要的類型產(chǎn)品，它將促進我國計算機技術(shù)的發(fā)展并帶來巨大的經(jīng)濟效益。此外，利用GMR效應(yīng)制備的磁隨機存儲器（MRAM）作為計算機內(nèi)存芯片將是下一步推進計算機技術(shù)發(fā)展的一場革命，并有可能取代半導體芯片。1999~2001年，美國的IBM，摩托羅拉，德國的Infineon等公司先后研制成功了實用的MRAM芯片。但這些還僅僅是自旋電子學的初步應(yīng)用，目前，自旋極化電子在半導體的有效傳輸，操縱已基本實現(xiàn)。2002年6月《SCIENCE》雜志還報道了利用電子自旋特性制作的亞微米尺寸磁性“非門”和寄存器，利用電子自旋還有可能制作自旋電子學器件，來實現(xiàn)量子計算，量子通信等，這些研究應(yīng)用的理論基礎(chǔ)就是自選輸運的研究。在基于自旋的電子器件中，最富創(chuàng)意的就是有Datta和Das提出的自旋場效應(yīng)晶體管。自旋場效應(yīng)晶體管的基本原理1990年Datta和Das首次提出了利用電子自旋特性的新型電子器件———自旋場效應(yīng)晶體管自旋場效應(yīng)晶體管?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示,這是一個類似三明治的結(jié)構(gòu),兩邊是鐵磁性材料充當自旋相關(guān)載流子的源與漏,中間是由窄帶半導體材料(InAlAs)和襯底(InGaAs)形成的二維電子氣.為了說明這個器件的工作原理,我們可以通過電光效應(yīng)來作類比闡述.圖2是電光效應(yīng)的光學調(diào)制器的示意圖.光束通過左邊的起偏器后,入射光就變成了沿與y軸成45°角偏振的線偏振光,它可表示成沿y軸偏振的線偏振光與沿z軸偏振的線偏振光的線性組合.當此偏振光通過光電材料時,因為電光效應(yīng)使介電常數(shù)εyy和εzz變得稍有所不同,這兩種偏振成分將經(jīng)歷不同的相位移動k1L與k2L,這里的k1和k2分別是光沿y方向和z方向的波矢,因此出射光的極化狀態(tài)就可以表示為();而輸出端處的檢偏器只讓沿(1,1)的成分通過,于是出射光強P0可由下式給出（1）因此出射光強就可以通過門電壓控制相移差來調(diào)節(jié)。蜓如圖關(guān)1所池示,頃在自匠旋場磨效應(yīng)印晶體著管中普,極似化器蒼和分諷析器扶可由臥鐵磁鏡材料中實現(xiàn)及.忘鐵磁朗材料乖的費趴米能毯處一遠種自席旋電固子的淚態(tài)密尼度遠剖遠超雁過另士一種防自旋命電子善的態(tài)塊密度推,所飲以鐵核磁電禽極優(yōu)墾先注燈入和極探測盟一種崖自旋脆電子黃.穴實驗滑上已黑證明罵利用云坡莫燙合金斥電極批可使直自旋理流極哪化率樹高5摟0%創(chuàng).掀沿+偽x方抬向磁秧化的宣電極晴優(yōu)先酷發(fā)射君和探介測自嚇旋沿相+x孔方向誰的電佩子,跟根據(jù)輛量子喬力學證,它諒可表注示成炮自旋儀沿+迎z薯方向單的電突子態(tài)鐮與自尿旋沿亞-鄰z方善向的麻電子羞態(tài)的怎線性賺組合幻,即郊溜誕火淡姑營愉束流廉焰待（2藥）續(xù)如果盤有一鋸種與旦電光鞭材料博類似蘇的材艘料,內(nèi)它能齒在自載旋沿唯+z爹方叼向的強電子秧與自睡旋沿逆-先z耀方向恭的電眉子之邁間產(chǎn)策生不星同的炒相移陷,并表且相距移差縣可由沃門電雕壓控宅制,杠那么檢就能份實現(xiàn)寇電流柄的調(diào)跟制;職窄三禁帶的半導腿體(享如I罷nG鹿aA遷s)駱正牢好能汗提供咬這種蒙功能驗.碌理論政和實相驗都愁已證高實在濟窄禁零帶半查導體蘇的二刺維電魄子氣淘中零名磁場擠下自森旋向益上與死自旋跑向下昆的電服子間港有能概量劈王裂,億這種藝零場甚自旋及劈裂狂的主壓要機祝制是勿有效雜質(zhì)量瓦哈密朱頓量席中的義自旋礦軌道即互作眉用的稅Ra役sh親ba賴項為下喊臥告輩作寄傻默蝦來捐聾驗（扶3）明這一帝項起亭源于拔異質(zhì)憤結(jié)界知面處荷的垂鏟直電括場,孫這里好的殘η罷是自齒旋軌帥道互榨作用蠶的強襪度系墻數(shù).童其娛他機僻制(埋如體紐反演牙不對伐稱項疫)也踐會對寬零場傘自旋跳劈裂章有貢稻獻,蓋但在竊窄禁郵帶半朱導體宣中通望常很嚇小,體因此歌可忽校略.測容批易看辨到R刻as鴨hb規(guī)a項伙引起式了相綿同能效量的勺自旋污沿+滔z堤方向誼的電墓子與撿自旋狠沿-慨z臟方尤向的豬電子憐有不擠同的大波矢櫻k1店和申k2掠.始考晝慮一惰個沿蒙+x概方向刺運動避的具遙有k庸z互=0癥,完kx奸賊≠回0的沾電子渠,那復么R剖as楊hb芽a項全HR梅等句于葡ησ薦zk歇x.陣這雹使自頁旋沿逢+z瞞方故向電揀子的乖能量雄提高宜了鮮η廟kx波,謹而使叫自旋添沿-麥z精方泡向電思子的啊能量造降低表了相邪同的株值,到所以洽有助健黎濫聰連葉跡俊增毀慎勿（4擠）扮播脖捧濟秋匠農(nóng)兆豆蹄厲求（5線）在顯然歲在自覽旋沿艇+z豆方尿向和亮自旋販沿-腸z繞方憐向的倚電子蔥間產(chǎn)巾生了葡正比蒼于自賄旋軌丹道耦晶合系鏟數(shù)的拆相移年差豆榨僚尾架坊壽牧嬌紙血腎序碼（斑6）關(guān)一個錯顯然靜的問申題是椒η得是否憑足夠何大以洞使得哪在一條個平悲均自案由程戶中能折達到旅π斥的相矮移差孝,扇對I享nG竿aA廳s/慣In抹Al節(jié)As暢異質(zhì)杏結(jié),奴從實鉗驗上學觀察失到的珍零場廳自旋蔥劈裂目,可稍以估食算出閱η佩大約陰為3震0計×斧10另-孕12捕eV天·冬m,式這給升出L梢(拆Δθ挨=軟π躺)稻=0偷.速11姐μ外m;捆自旋拒軌道栗耦合碑常數(shù)忠η障正比村于異歸質(zhì)結(jié)表界面維處電厭場的耽期望室值,助原則淹上可柿通過蹈門電是壓加福以控保制.南使鎖用鐵拉磁電異極作辛為極按化器碼與分但析器勤、以廟及使捆用窄疲禁帶志半導榜體在赴兩種救自旋餅電子稈之間怠引入豐可由功門電界壓控群制的拴相移束差,贊從而喜實現(xiàn)裳與光鉛調(diào)制舒器類昌似的窮基于芹電子澇波的尸電流弓調(diào)制墻的器頭件?；笞孕龜z場效愧應(yīng)晶拉體管慌的提巴出是掛自旋大電子廢學中腎最有賤影響兇的概晚念之鄉(xiāng)一。羊它是些借助盤于自俯旋軌躲道相浮互作育用的娛完全羊電學寨操控欣自旋鍵動力降學的墳方案足,而顛傳統(tǒng)舟方案反是通薦過外慎加磁鉗場來糖控制側(cè)自旋廢。叮眾所昏周知鐮,在撞非常箱小的翼體積蠢和非禿常短誘的時語間尺謙度中緒產(chǎn)生芝及控盆制電擾場遠聚比控概制磁變場容渣易,找因此船全電釀學方挪案為組有效飄的自呼旋局廁域操峽作和際利用釘現(xiàn)成艷的傳犬統(tǒng)高奶速數(shù)緣字電芝子線主路的捕集成皂技術(shù)甘提供子了可朱能。立在喘設(shè)想暗的自澇旋場防效應(yīng)范晶體獨管器炮件中宿,當休自旋雜(方川向指鈔向輸串運方違向)怎從源駱極注擾入半巨導體山量子網(wǎng)線時易,由軟于受詢到門便電壓鎮(zhèn)調(diào)節(jié)要的R飛as剪hb被a自夫旋軌班道互窗作用襲(起顛源于樸異質(zhì)漏結(jié)的翻結(jié)構(gòu)自反演兔不對些稱性癥)宵,它喚就在戴這非養(yǎng)磁區(qū)左域中紙以一曲種被褲控制兩的方汽式進槳動,鵲最后搏以一龍定的疑概率筒(依羞賴于羅進動船的角楚度)全進入怕漏極續(xù)，于傳是這洞種含綁極化驕器和昆分析莖器的踐電學侮方案扇將能感調(diào)節(jié)上自旋駛極化冷的源楊漏極此電流擁。遣自旋諸場效絲應(yīng)晶徐體管饒的研遷究現(xiàn)臥狀和會存在砌的問黎題枯自旋尼場效扁應(yīng)晶限體管兆自提幣出后滾引起絨了人慌們的盞極大冷興趣停,很講多研持究小像組對茂此進立行了六研究父。盡牧管自棋旋電時子學哲的前策景誘壘人,炊但是陣基于索自旋喊的電無子器娘件真咸正走信向?qū)嵔苡眠€說面臨沃一些鋒困難巴:遍(1剃)懶要著有足笑夠的竹自旋賓注入容效率佩.中因為眼高自味旋注繁入效塘率才棒是基到于自漂旋的秘半導蜓體電淘子器她件走搖向應(yīng)濫用的此前提世.宣實驗茄上發(fā)獎現(xiàn)鐵路磁金賢屬通咐過歐衰姆接拜觸注薪入到孟半導畫體后楚其自罩旋極凱化率亞一般神只有憐0.束1劫%～現(xiàn)1%罰.饒G.躲S銀ch賴mi沫dt蠶等恰人指湖出從眾鐵磁坐金屬督到半屬導體振之所辨以得忘不到進高的占自旋乘注入伯效率王,根竄本原侵因在淘于金復屬和址半導礦體的決電導或不匹耽配,委E.鞏R插as霞hb疼a和親A.笑F盒er霉t德等人俯提出浸在鐵若磁金冒屬和肌半導灣體之占間加志一勢襖壘,輕利用地自旋棉相關(guān)固隧穿躁電阻忌克服掃這一岡缺陷很,可毒大大儲提高稈自旋池電子盡的注仿入效旅率,封最近懸有報嗽道稱敞在G姜aA慚s表茄面外禁延長慰一層兵鐵形抵成肖膝特基濃勢壘吹,利膏用光瓦學的銅測量物方法洽,在獸室溫尸下得駱到了趴2%縫的自細旋注今入效販率,尺但與箏走向竭應(yīng)用蛾的期辨望值初仍有丸較大肅距離趨,且永付出精了減摔小電工流的碰代價蛙.弊20顯02撫年7架月的申Ap輸pl復.槳Ph陳ys打.多Le柱tt浪報蓄道了顯V.比M夠ot持sn慘yi好等賓人利腹用1餡.活4n親m厚倒的氧吉化鋁姑薄膜課Al衛(wèi)Ox駝作患為絕她緣層剝,以隸Co蕉Fe寨為鐵任磁金峽屬,矛在8估0K貴溫度然和3缺V電饒壓下牌在半臟導體憲中得導到了葛自旋醉極化轟為9圈.扔2%豎的電碼流.刷這剛種加第偏壓素的方瞧法雖宿然對遼自旋臣注入娘效率基有所飲提高沙,但炒也很冤有限鵝.掩后來惑有研砌究小含組發(fā)壓現(xiàn)鐵求磁半舌導體掏注入勵到普燈通半禮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