（光学专业论文）砷化镓及其量子阱中电子自旋扩散动力学研究.pdf

砷化镓及其量子阱中电子自旋扩散动力学研究 专业：光学 博士生：余华梁 指导教师：赖天树教授 摘要 自从巨磁电阻效应( g m r ) 被发现以来，电子自旋研究成了国际上一个新的研 究热点，逐渐形成了一个新的学科一自旋电子学( s p i n t r o n i c s ) 。为了发展具有 放大功能的自旋晶体管，实现自旋器件的集成制造并与传统微电子器件的一体化 集成，世界各国投入了大量的人力、物力对半导体自旋电子学领域开展了广泛的 研究，期待发展体积小、速度快、功耗小的新一代半导体自旋电子器件。半导体 中电子自旋成为自旋电子学的研究重点。 在实现半导体自旋电子器件的诸多前提条件中，足够的自旋输运尺度是其中 的重要条件之一。而自旋输运尺度是由自旋弛豫时间、自旋扩散系数( 皿) 和自 旋迁移率( 以) 所决定的，所以，研究测定自旋扩散系数和自旋迁移率的实验方法， 测定半导体材料自旋扩散系数和自旋迁移率，研究影响电子自旋扩散和自旋迁移 率的各种因素，都具有潜在的理论意义和应用价值。 本文利用超快激光泵浦一探测试验技术，以g a a s 半导体及其量子阱中电子自 旋扩散作为主要研究对象，探讨电子自旋扩散的动力学过程，研究自旋扩散系数 的测量方法，测定g a a s 半导体及其量子阱中自旋极化电子的扩散常数，分析自 旋库仑拖拽效应、激发空穴等因素对半导体电子自旋扩散动力学过程的影响。具 有创新性的主要成果如下： 第一，利用自旋光栅衍射方法研究了量子阱中单带电子自旋扩散的动力学过 程，测定了室温条件下本征g a a s 多量子阱的电子自旋扩散系数，分析自旋光栅 衍射信号弱、信噪比低的原因，提出进一步发展自旋光栅技术的迫切要求。 第二，发展了自旋光栅局部采样圆二色饱和吸收光谱技术及其实验原理。用 聚焦的细圆偏振光束作为探测光束，探测由于自旋光栅退化所引起的圆二色饱和 吸收信号的变化，导出了自旋光栅的圆二色饱和吸收衰减动力学的理论模型，并 应用此技术研究了j r g a a s 在室温下的电子自旋扩散输运，测得电子自旋扩散系 数n 约为2 0 1 硎2 s 。提出了利用瞬态自旋光栅的漂移实验测量电子自旋迁移率的 方案。 第三，发展了探测光周期采样的自旋光栅圆二色饱和吸收光谱技术及其实验 原理。这种方法采用周期与自旋光栅相同、取向与自旋光栅平行且与自旋光栅紧 密地相互靠近的透射光栅，当透射光栅各透光狭缝正对自旋极化度极值时，分别 用左旋圆偏振探测光和右旋圆偏振探测光探测自旋光栅极化度极值处的自旋向 上和自旋向下电子浓度衰减过程，由此获得有关自旋光栅衰退的信息。用这种方 法研究了室温条件下本征g a a s 多量子阱的电子一空穴双极扩散和电子自旋扩散 得动力学过程，测量了本征g a a s 多量子阱的双极扩散系数和自旋扩散系数。 第四，发展了一种时一空分辨泵浦一探测光谱方法及其理论。泵浦和探测光束 各自通过由完整聚焦透镜平分而成的两个半透镜之一，聚焦于重叠的焦平面( 样 品) 上。使通过泵浦光束的半透镜沿垂直于光束方向作高分辨扫描，则可实现探 测光斑与泵浦光斑在焦平面上的高分辨线性扫描。首次将这一实验技术应用于本 征g a a s 量子阱中电子自旋双极扩散输运的实验研究，测量了室温下本征g a a s 量 子阱中的“自旋双极扩散系数 见，小于文献报道的用自旋光栅方法测得的自 旋扩散系数，显示了空穴对电子自旋波包的扩散输运的影响。 第五，发展了透射光栅调制泵浦一探测实验技术及其实验原理。在透射光栅 紧密贴近待测样品的条件下，利用通过透射光栅各狭缝的泵浦光和探测光对样品 上与狭缝正对区域进行泵浦一探测实验。这种方法克服了传统的空间分辨泵浦一 探测实验方法中高度聚焦和精密扫描所带来的技术困难。建立了矩形脉冲分布的 的自旋极化电子的扩散动力学理论模型。测定了本征g “s 体材料中电子的双极 扩散系数和自旋双极扩散系数。 总之，本文发展了一系列探测电子自旋扩散现象的实验方法和实验原理，并 应用于研究g a a s 及其量子阱中电子自旋扩散的动力学过程，为进一步探索材料 的电子自旋扩输运性质提供了有价值的参考。 关键词：砷化镓，自旋电子学，自旋扩散 s t u d y o fs p i nd i f f u s i o nd y n a m i c si ng a a sa n dg a a sm u l t i p l e q u a n t u m - w e l l m a jo r ：o p t i c s n a m e ：h u a l i a n g y u s u p e r v i s o r ：p 时t i a n s h ul a i a bs t r a c t s i n c et h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ( g m r ) w a sd i s c o v e r e d , g r e a ti n t e r e s th a sb e e n d i r e c t e dt oe l e c t r o ns p i na n dan e wd i s c i p l i n e - s p i n t r o n i c sh a sb e e nf o r m e dg r a d u a l l y i no r d e rt o d e v e l o ps p i nt r a n s i s t o rw i t ha m p l i f i c a t i o nf u n c t i o na n da c h i e v ei n t e g r a t e dm a n u f a c t u r eo fs p i n d e v i c e sw i t ht r a d i t i o n a lm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，m a n yc o u n t r i e si nt h ew o r l dh a v ep u tal o to f h u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c et od e v e l o pn e ws e m i c o n d u c t o rs p i n t r o n i c sw i t hs m a l l e rs i z e ，f a s t e r s p e e da n dl o w e rc o n s u m p t i o n r e s e a r c ho ne l e c t r o ns p i ni ns e m i c o n d u c t o r sh a sb e e n 锄e m p h a s i s o fs p i n t r o n i c s s u f f i c i e n ts p i nt r a n s p o ns c a l ei so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n d i t i o n si nan u m b e ro ft h ep r e m i s e o fr e a l i z a t i o no f s e m i c o n d u c t o rs p i n - e l e c t r o n i cd e v i c e s a n ds p i nt r a n s p o r ts c a l ec a nb ed e f i n e db y s p i nr e l a x a t i o nt i m e ，s p i nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n ds p i nm o b i l i t y , s ot h er e s e a r c ho ne x p e r i m e n t a l m e t h o d so fm e a s u r i n gs p i nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n ds p i nm o b i l i t ya n dt h em e a s u r e ds p i nd i f f u s i o n c o e f f i c i e n ta n ds p i nm o b i l i t yo fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa sw e l la st h ev a r i o u sf a c t o r sw h i c h a f f e c t i n gt h ee l e c t r o ns p i nd i f f u s i o na n ds p i nm o b i l i t yh a v ep o t e n t i a lt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r , w ea p p l yu l t r a f a s tp u m p - p r o b et e c h n i q u et os t u d ye l e c t r o ns p i nd i f f u s i o ni n b u l kg a a sa n dg a a sq u a n t u mw e l l s t h e nw ei n v e s t i g a t et h ed y n a m i cp r o c e s so fe l e c t r o ns p i n d i f f u s i o n , a n dp e r f o r mt h em e a s u r e m e n to fs p i nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ed i f f u s i o nc o n s t a n to f e l e c t r o n si nb u l kg a a sa n dg a a sq u a n t u mw e l l s a tt h es a m et i m e ，w ea l s oa n a l y z es o m ef a c t o r s t oi n f l u e n c et h ep r o c e s s e so fs e m i c o n d u c t o re l e c t r o ns p i nd i f f u s i o nk i n e t i c ss u c ha st h es p i n c o u l o m bd r a ge f f e c t ，e x c i t e dh o l e sa n ds o0 1 1 t h em a i ni n n o v a t i v er e s u l t so ft h i sp a p e ra r e 嬲 f o i l o w s ： i v f i r s t l y , t h ed y n a m i cp r o c e s so fs i n g l eb a n de l e c t r o ns p i nd i f f u s i o ni ss t u d i e db ys p i nd i f f r a c t i o n g r a t i n g si ng a a sq u a n t u mw e l l s s p i nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti ni n t r i n s i cm q w g a a si sm e a s u r e da t r o o mt e m p e r a t u r e w ea l s oa n a l y z et h er e a s o n sf o rt h ew e a kd i f f r a c t i o no fs p i ng r a t i n ga n dl o w s i g n a lt on o i s er a t i o ，a n dp r o p o s et h eu r g e n tr e q u i r e m e n to ff u r t h e rd e v e l o p m e n to fs p i n - g r a t i n g t e c h n o l o g y s e c o n d l y , p a r t i a l l ys a m p l i n gc i r c u l a rd i c h r o m a t i ct i m e r e s o l v e da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p yo f t r a n s i e n ts p i ng r a t i n ga n di t se x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea r ed e v e l o p e d w et a k et h et i n yf o c u s e d c i r c u l a r l yp o l a r i z e dl i g h ta sp r o b eb e a mt od e t e c tt h ec h a n g e so fc i r c u l a rd i c h r o m a t i cs a t u r a t e d a b s o r p t i o ns i g n a lc a u s e db yd e c a yo fs p i ng r a t i n g , a n da l s od e d u c et h e o r e t i c a lm o d e lw h i c h d e s c r i b e st h ed y n a m i co ft h ed e c a yo fc i r c u l a rd i c h r o m a t i cs a t u r a t e da b s o r p t i o ns i g n a l t h e nw e a p p l yt h i sm e t h o dt os t u d yt h ee l e c t r o ns p i nt r a n s p o r to fn - g a a sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，g i v i n g e l e c t r o ns p i nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n td l = 2 0l c m 2 s f i n a l l y , w ep r o p o s eas c h e m et om e a s u r e e l e c t r o ns p i nd r i f tm o b i l i t yu s i n gt r a n s i e n ts p i ng r a t i n gt e c h n i q u e t h i r d l y , p e r i o d i c l ys a m p l i n gc i r c u l a rd i c h r o m a t i ct i m e - r e s o l v e da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p yo f t r a n s i e n ts p i ng r a t i n gb a s e do nl o c a l i z e dp r o b el i g h tt r a n s m i t t a n c eb yt r a n s m i s s i o ng r a t i n ga n di t s p r i n c i p l ea r ed e v e l o p e d t h i sm e t h o da d o p t st r a n s m i s s i o ng r a t i n gw h o s ep e r i o d sa n do r i e n t a t i o n a r ei d e n t i c a lw i t hs p i ng r a t i n g , a n dc l o s et os p i ng r a t i n gt i g h t l y w h e ne a c hs l i to ft r a n s m i s s i o n g r a t i n ga r ep l a c e do nt h ep e a ko fs p i np o l a r i z a t i o no fs p i ng r a t i n g , w eu s er i g h ta n dl e f tc i r c u l a r l y p o l a r i z e dp r o b el i g h tt od e t e c tt h ed e c a yo fc o n c e n t r a t i o no fe l e c t r o n sw i t hu pa n dd o w ns p i n o r i e n t a t i o no nt h ep e a ko fs p i np o l a r i z a t i o nr e s p e c t i v e l y , a n dt h e nd e d u c et h ed e c a yo ft h es p i n g r a t i n g , b yt h i sm e t h o d , w es t u d yt h ed y n a m i cp r o c e s so fa m b i p o l a rd i f f u s i o na n de l e c t r o ns p i n d i f f u s ei ni n t r i n s i cm q wg a a sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，a n dh a v em e a s u r e dt h ev a l u eo fa m b i p o l a r a n ds p i nd i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti ni n t r i n s i cm q wg a a s f o u r t h l y , w ed e v e l o pak i n do ft i m e - s p a t i a lr e s o l v e dp u m p - p r o b em e t h o d w i t hp a s s i n g t h r o u g ho n eh a l fp a r to faf o c u s i n gl e n sw h i c hw a sc u ti n t ot w os y m m e t r i cp a r t sr e s p e c t i v e l y , t h e p u m pa n dp r o b eb e a m sf o c u so nt h eo v e r l a p p e df o c a jp l a n e ( t h es a m p l e ) b ym o v i n gt h eh a l fl e n s t r a v e l l e dt h r o u g hb yp u m pb e a m , o n ec a nr e a l i z et h el i n e a r l ys c a n n i n go ft h ep u m ps p o ti nt h e f o c a lp l a n ew i t hh i g hr e s o l u t i o mw ea p p l yt h i st e c h n i q u ef i r s t l yt os t u d ye l e c t r o ns p i na m b i p o l a r d i f f u s i o ni nt h ei n t r i n s i cg a a sq w sa n dh a v em e a s u r e dt h ev a l u eo fe l e c t r o ns p i na m b i p o l a r v d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 吃a tr o o mt e m p e r a t u r e a n dt h ev a l u ei sl e s st h a np r e v i o u sr e s u l t sw h i c h w a sm e a s u r e db ys p i ng r a t i n g , i n d i c a t i n gt h e i m p a c to fh o l eo nt h et r a n s p o r to fe l e c t r o ns p i n p a c k e t f i n a l l y , g r a t i n gm o d u l a t i o np u m p - p r o b et e c h n i q u eb a s e d0 1 1e x t r at r a n s m i s s i o ng r a t i n ga n d i t sp r i n c i p l ea l ed e v e l o p e d w i t hat r a n s m i s s i o ng r a t i n gc l o s e d t i g h t l yt ot h es a m p l e ，t h ep r o b ea n d p u m pb e a m sp a s st h r o u g hs l i t so ft r a n s m i s s i o ng r a t i n g , s ot h ep u m p - p r o b es i g n a lo r i g i n a t ei nt h e o p p o s i t er e g i o no ft h es l i t so ft r a n s m i s s i o ng r a t i n g t h i ss c h e m ei sc a l l e da s “g r a t i n gm o d u l a t i o n p u m p - p r o b et e c h n i q u e t h i sa p p r o a c ho v e r c o m e st h et e c h n i c a ld e f e c t so ft h et r a d i t i o n a l s p a c e r e s o l v e dp u m p 。p r o b ee x p e r i m e n t a ls c h e m es u c ha sh i g h l yf o c u s i n ga n dp r e c i s es c a n n i n g w ea l s oe s t a b l i s ht h et h e o r e t i c a lm o d e lo fd i f f u s i o nk i n e t i c sw h i c hd e s c r i b e sd i f f u s i o no ft h e s p i n - p o l a r i z e de l e c t r o n sr e l a t e dt og r a t i n gm o d u l a t i o np u m p - p r o b ee x p e r i m e n t , a n dm e a s u r et h e e l e c t r o ns p i na m b i p o l a rd i f f u s i o ni ni n t r i n s i cb u l kg a a s i naw o r d , w ed e v e l o pas e r i e so fe x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e sa n dm e t h o d s t od e t e c te l e c t r o ns p i n p h e n o m e n o n , a n da p p l yt h e mt os t u d yt h ed y n a m i cp r o c e s so fe l e c t r o ns p i nd i f f u s i o n t h e s e r e s u l t sp r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c et of u r t h e re x p l o r et h em a t e r i a l p r o p e r t i e so fe l e c t r o ns p i n d i f f u s i o r l k e y w o r d s ：g a a s ，s p i n t r o n i c s ，s p i nd i f f u s i o n v i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 讲具 日期：多鲫7 年工月r 日 f 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 日期： 年月 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，与任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 第一章前言 传统的微电子学电子器件利用电子的荷电性质依靠电场来控制电子的输运 过程，是二十世纪科学技术领域最重要的成就之一。随着半导体器件尺寸的逐步 减小，材料的许多宏观特性丧失，量子力学效应显现。同时，功耗问题、运行速 度问题等已成为传统的微电子学进一步发展的主要制约因素。量子力学的研究成 果表明，电子既是电荷的载体，又是自旋的载体。人们希望对电子自旋属性的利 用，能够给遭遇困境的微电子学注入新的动力。自旋电子学是利用电子自旋作为 信息载体的电子学，其英文s p i n t r o n i c s 由s p i nt r a n s p o r te l e c t r o n i c s 组合 而成。具体地说，自旋电子学是一门以研究自旋极化电子的性质，以及基于这些 性质而设计、开发新一代电子器件为主要内容的一门交叉学科，其研究对象包括 电子的自旋极化、自旋相关的散射、自旋弛豫、自旋极化电子输运以及与此相关 的潜在的应用价值等n 。它除了利用电子的电荷属性以外，还要利用电子的自 旋属性。由于自旋有自旋向上和自旋向下两个状态，而且改变电子自旋的状态要 比电荷运动的状态容易得多，因此，人们期待自旋电子学元件将比传统的只利用 电荷的微电子元件有更加优越的性能。本章简要介绍自旋电子学的研究背景、研 究现状和主要实验方法。 1 1 半导体自旋电子学的研究背景 人们对电子自旋的研究可以追溯到发现电子自旋属性的时期上世纪二 三十年代。那时候，刚刚诞生不久的量子力学体系中还没有电子自旋。1 9 2 7 年， w g e r l a c h 和o s t e m 1 进行了一项重要的科学实验：在一个真空容器中，让形成 细束的氢原子通过不均匀的磁场，最后投射到照相底片上，结果发现在原子入射 方向的对称位置上形成了两条痕线。这就是著名的s t e m - g e r l a c h 实验，它有力地 证明了电子存在自旋属性，成功地解释了当时困恼物理学界的反常塞曼效应、碱 金属光谱的双线结构等微观现象。但是，尽管二十世纪电子科学与技术取得了飞 速的发展，电子自旋却长期没有获得实际的应用。直到二十世纪末，巨磁电阻效 应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 口3 的发现，自旋阀结构( s p i nv a l v e ) 哺1 的 成功设计，才使沉睡已久的电子自旋展现出不平凡的应用价值。此后，人们又在 f e a 1 2 0 3 f e 三明治结构中发现隧道磁电阻( t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n e e ，t m r ) 现象阳1 ，利用t m r 现象可以制造高密度的记忆元件如磁随机存储器m r a m ( m a g n e t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 。目前，对半导体自旋电子学包括磁性半导 体、磁性材料与半导体的复合材料、半导体及其量子阱的自旋现象的研究也十分 活跃n 们，极大地丰富了自旋电子学的内容。 1 1 1g m r 效应和g m r 自旋阀 1 9 8 8 年，法国科学家f e r t 小组在磁性金属( 如f e ) 中夹一薄层( 几个纳米) 非磁性金属( 如c r ) ，形成周期性多层膜，在4 2 k 温度下，观察到当施加外磁 场时，膜电阻发生显著的变化，其电阻变化率高达5 0 ，当温度上升到室温时， 这种效应虽然变小，但仍然十分显著，因此称之为巨磁电阻效应。巨磁电阻的发 现是自旋电子学发展的里程碑。 然而，在反铁磁耦合的多层膜中，出现巨磁电阻的必要条件就是近邻磁层中 的磁矩相对取向在外磁场的作用下可以发生变化，因此需要很高的外磁场才能 观察到g m r 效应，这就限制了它的实际应用。1 9 9 1 年，b d i e n y 隋1 提出了自旋阀 结构。为了降低g m r 铁磁层材料的饱和磁场，d i e n y 采用了非耦合型夹层结构， 首次在n i f e c u n i f e f e m n 自旋阀中，发现了在低饱和场的条件下产生的巨 磁电阻效应。d i e n y 提出的自旋阀结构可以表示为f 。n f 。a f ，其中f 。和f 。为铁 磁层，n 为非铁磁层，两个铁磁层f 。和f ：被较厚的非铁磁层n 隔开，使f 。与f 2 之间几乎没有交换耦合。与铁磁层f 。相邻的a f 为反铁磁层，它通过交换耦合作 用将铁磁层f ：的磁矩m 。钉扎。而f 。为自由层，由优质软磁材料做成，其m s 可以 在很弱的磁场作用下改变方向，从而成功地解决了上述反铁磁多层膜所遭遇的需 要强的外磁场的问题，在弱磁场条件下就能获得g m r 。 自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实n 卜1 3 1 ，创造了一个 只花了短短几年的时间就完成从基础研究到器件开发的奇迹。利用了g m r 自旋阀 材料而研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高了好几个数量级，目前 已占领磁头市场的百分之九十到九十五。利用g m r 效应开发的磁性随机存贮器 ( 删) ，具有抗干扰、功耗低、使用寿命长、成本低，以及突然断电而不会丢失 信息的优点。g m r 效应的这些应用，已经引起了计算机存储领域的巨大变革，对。 2 人们的生产、生活、科学研究等造成了巨大的影响。此外，g m r 还可以应用于探 测微弱磁场信号，在电话、传真、大容量存贮器、军事、和航空航天技术上等方 面也有着广泛的应用前景。因此诺贝尔奖评审委员会将2 0 0 7 年的诺贝尔物理奖 授予a l b e r tf e r t 和p e r t e rg r u n b e r g 两位科学家，以表彰他们为人类所作出 的卓越贡献。 1 1 2 半导体自旋电子器件模型的提出 传统的电子元器件例如c m o s ，h b t ，l e d ，f e t 等都是由半导体材料制成的，因 此，人们希望未来的自旋电子器件也能够用半导体材料来实现，以解决工艺上兼 容的问题。早期的实验表明，许多半导体材料具有相当长的自旋弛豫时间和相当 远的输运尺度，使人们对用半导体制成自旋电子器件满怀希望n 利。相比于传统的 电子器件，半导体自旋电子器件最显著的好处之一就是有望解决高能耗的问题。 假定传统晶体管和自旋晶体管都用电流的通和断来表示门电路中的逻辑位0 和 1 ，那么两种电子器件在能耗方面的优劣可以作这样的比较：传统晶体管是通过 基级电位的高低来控制电子通过发射结时遭遇的势垒，进而控制晶体管的导通与 截止。计算表明这个过程需要消耗较多的能量。而在自旋晶体管中，其漏极相当 于给电子提供了一个自旋相关的势垒，只有一定自旋取向的电子方可通过漏极， 由源极注入的自旋极化电子是否能够通过漏极，完全取决于电子从源极至漏极过 程中对电子自旋极化态的控制，这种控制一般只需消耗较低的能量。以下简要介 绍由普渡大学的d a t t a 及d a s n 们于1 9 9 0 年提出来的自旋半导体晶体管最早 也是较有代表性的半导体自旋电子元件的设计方案。 o a t t a - d a s 自旋晶体管的结构如图1 - 1 所示n 钔。它的基本结构与场效应晶体 管f e t 相似，由源极、漏极和半导体薄层组成，在半导体薄层上又制作一个绝缘 栅极，源极和漏极拟用铁磁f m 材料制作，中间的半导体薄层用i n g a a s 材料制作。 源极的作用是注入的自旋极化的电子，半导体薄层的作用是借助扩散将它们输运 至漏极，漏极则完成对它们的极化态的检测。绝缘栅极是漏极电子自旋取向的控 制端：绝缘栅极上的门电压v 。产生与之正比的垂直方向的电场e ，则有效磁场 可表示为b = a e ，xk ，也就是说，电子经过半导体薄层绕有效场作拉莫尔进动的角 速度是可以用栅极电压来调控的，从而控制通过扩散而后到达漏极的电子的自旋 3 取向。 卜1d a t t a d a s 晶体管模型结构图3 d a t t a - d a s 自旋晶体管的结构虽然简单，但目前为止仍有一些重要的基本问 题没能很好掌握和解决，成为实现d a t t a - d a s 自旋晶体管的障碍。这些问题主要 包括两方面，一方面是寻找合适的自旋极化电子源以及如何高效率地注入半导体 中；另一方面是自旋极化电子在半导体中输运的问题，包括自旋极化电子注入半 导体后极化状态能够保持多长时间、在极化态保持的这一段时间内又能够扩散或 漂移多长的距离。前者是注入问题，后者为输运问题，人们对这些问题的研究还 比较初步。我们将在随后的两小节中简要回顾近年来人们对这两方面问题的研究 所取得的一些进展。 1 1 3 半导体中电子自旋注入的研究现状 目前为止，在实验上常用的自旋极化电子的注入方式主要包括：由直接由铁 磁金属注入或在铁磁金属与半导体之间加一氧化层后由隧穿注入、稀磁半导体注 入以及光学注入等。 铁磁金属的居里温度很高，在室温时仍具有磁性，本来可以作为自旋极化电 子的注入源，但是，一方面，由于自旋向上和自旋向下带的能量相差不大，因此 常温下铁磁金属内电子自旋极化度不高；另一方面，铁磁金属的电导率和半导体 的电导率不匹配。这两方面的因素造成了自旋极化电子直接由铁磁金属注入半导 体的效率很低n 5 ，1 6 1 。利用隧穿效应可以比较好地解决金属和半导体之间电导率不 4 匹配的问题。r a s h b a n 7 3 提出，如果在金属和氧化物之间增加一氧化物薄层( 隧穿 结) ，则可以通过调节此氧化层的电阻来消除金属和半导体之间电导率不匹配， 从而可以大幅度增大注入效率。a l v a r a d o 和r e n a u d 口胡使用隧道扫描显微镜的探 头( 铁磁性材料) 接近半导体的表面，发现利用真空隧道效应可以将自旋极化电 子注入到半导体中。h a m m a r 和j o h n s o n n 钔在实验上证实自旋极化电子从铁磁金 属经绝缘层注入到半导体二维电子气的的效率可以高达4 0 。j i a n g 等人1 2 0 1 最近 报道，自旋极化电子由c o f e 经过m g o 隧穿注入到g a a s 中的注入效率，1 0 0 k 条件下可达5 7 ，室温条件下达到4 7 。 自旋极化电子的另一加注入源是磁性半导体。加入少量m n 的i i i - i v 和i i 一 族化合物，如g a m n a s 、i n m n a s 等，在居里温度下就形成了磁性半导体。用磁性半 导体作为极化电子的注入源可以解决直接由铁磁金属注入时所遇到的电导率不 匹配、工艺上的兼容等问题。f i e d e r l i n gr zr 等人利用磁性半导体和非磁半导体 量子阱组成一个发光二极管，在磁性半导体中，由于巨z e e m a n 分裂效应，导带 s = 一v 2 的电子能级约低于s = 1 2 的电子能级l o m e v ，s = l 2 的电子在p n 结电场的 作用下，流向量子阱中，与阱中的自旋非极化的空穴复合发光。根据跃迁的选择 定则，j = 一v 2 的电子只能历= 一3 2 的重空穴和s = 1 2 的轻空穴复合，分别发出右旋 和左旋的圆偏振光。另外，重空穴跃迁矩阵元是轻空穴跃迁矩阵元的3 倍。则发 光圆偏振度可以表示为 尸= 筹= 器等踹 m - ) ，：一=：t-?-?一 一lj j r + + j 一( 3 n 乍+ 上) + ( 3 ”上+ ”t ) 7 所以当只有一种自旋取向的电子时，尸取最大值0 5 。f i e d e r l i n gr 等人的实验 结果表明，此发光二级管所发射的光的圆偏振度随磁场的增加而增加，最后趋向 饱和，测得最大的发光圆偏振度达到0 4 3 。可以由( 卜1 ) 式立即算得，这时注 入到量子阱的自旋向下的电子数占总数的9 3 ，这是相当高的注入效率。o h n oy 等人涩1 将空穴浓度为1 0 ：o c m - 3 的磁性半导体g a m n a s 和i n g a a s 量子阱结合在一起， 制成一个发光二极管。在低温r ：6 x 和小磁场b ：1 0 0 0 0 e 条件下，磁性半导体的空 穴磁化强度趋于饱和，其自旋极化方向沿外磁场方向。在外加偏置电压产生的电 场的驱动下，这些自旋极化的空穴注入到i n g a a s 量子阱中，与阱中自旋非极化 的电子复合，发出圆偏振光。实验测得其发光圆偏振度达到o 0 9 。g r u b e rt h 5 等1 以磁性半导体做注入源利用隧道效应在实验上也获得了自旋极化电子注入。 他们用磁性半导体z n m n s e 作是势阱，用非磁性半导体b e t e 作势垒，构造量子阱， 两侧分别再与二维电子气和a 1 g a a s g a a sp - i n 发光二极管结合在一起。沿势阱 的垂直方向施加电场和磁场，其中，磁场使阱中的电子产生巨z e e m a n 分裂，使 s = 一l 2 的电子能级约低于s = l 2 的电子能级2 0 m e v ，电场的作用是调节二维电子 气的费米能级和阱内电子能级能量差，当阱中自旋向下电子的能级和二维电子气 的费米能级对齐时，只有自旋向下的电子通过势垒隧穿到量子阱中，自旋向上电 子的隧穿电流则可以忽略。实验中发现，当外加偏压为1 9 y 、温度r = 1 6 k 时， 发光圆偏振度随外加磁场而变化，最大值达到0 8 。 综上所述，近年来人们在自旋极化电子注入的研究中取得了一系列的成果， 然而，报道的将自旋极化电子成功注入到半导体中的实验中，几乎对实验条件有 着比较苛刻要求：例如远低于室温的温度条件、强的外磁场等。这就制约这些实 验技术的实际应用。人们还需要努力实现在常温、弱磁场或无磁场的条件下，获 得足够高的自旋极化电子注入效率。因而目前所取得的实验成果相对于实现半导 体自旋电子器件的要求仍有相当远的距离。 1 1 4 半导体中电子自旋弛豫的研究现状 电子自旋极化态能够保持足够长时间是实现半导体自旋电子器件的重要条 件之一，因而电子自旋弛豫也是自旋电子学研究领域内最受人们关注的课题。在 超快激光技术出现之前，实验技术手段限制了人们对电子自旋进行深入的实验研 究，但是这一阶段在自旋弛豫理论上却取得了重要的成果，人们先后提出了三种 自旋弛豫机制d p 机制、e y 机制和b a p 机制。 d p 机制堙 矧认为，对于中心对称性缺失的半导体如g a a s ，系统的哈密顿量 中出现了与波矢的3 次方( 二维情况下1 次方) 成正比的量掣a c s g 七) ，对应 于哈密顿量的微扰对角矩阵元。式中q ( 七) 依赖于波矢的大小和方向，导致自旋朝 向不同的电子具有不同的能量，因此原来不同自旋量子数的简并态就被分裂，其 结果相当于外加磁场所产生的z e e m a n 分裂。所以，可以将q ( j | ) 看作一个作用于 6 电子的等效局域磁场，只不过由于不同电子k 的大小和方向不同，作用于每个电 子的等效局域磁场也不相同。在两次动量散射之间，每个电子都围绕各自的局域 磁场迸动。这种彼此不相干的进动轴也各不相同的进动就是导致宏观自旋衰减的 内在原因。另一方面，电子和其它电子、空穴、晶格以及杂质之间频繁发生的动 量散射使得自