專利名稱：一種高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高極化度自旋電學注入與檢驗結(jié)構(gòu)，特別是用鐵磁性半金屬 Co2FeAl薄膜產(chǎn)生自旋極化電子流，用多量子阱LED檢測極化度。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)是半導體和鐵磁材料，在集成電路中利用電子的電荷處理信 息和傳輸信息，在磁性金屬的多層結(jié)構(gòu)中利用磁性材料的自旋自由度來進行信息的寫入和 讀取。由于器件尺寸越來越小，量子效應(yīng)變得越來越顯著，摩爾定律受到挑戰(zhàn)。近年來新興 的自旋電子學被認為是未來可能改變信息技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域。自旋電子學探索在器 件中利用電子的自旋屬性同時進行信息的處理和存儲。傳統(tǒng)的電子學器件電荷的相互作用 能在電子伏量級，而自旋的相互作用能為毫電子伏量級，因此自旋器件比傳統(tǒng)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傳統(tǒng)半導體工藝 銜接，節(jié)約了重新鋪設(shè)生產(chǎn)線的成本，目前是研究的熱點方向。傳統(tǒng)的電子學依賴于正負電 荷分離運動，即產(chǎn)生電流，自旋器件則利用的是電子自旋向上和自旋向下兩種狀態(tài)，因此首 先面臨的挑戰(zhàn)就是如何產(chǎn)生具有自旋極化度的電子流，即自旋注入，相伴注入另一核心問 題是如何檢驗自旋極化度。已有的自旋注入方法可以分為兩類，一類是光學注入，用圓偏振光激發(fā)半導體，引 入自旋極化電子，一類是電學注入，多為外加電壓，驅(qū)動鐵磁金屬中自旋極化電子注入到半 導體中去。在電學注入方法中，一般嘗試的是用鐵磁性金屬作為注入源，然后由于鐵磁性金 屬和半導體的電阻失配率較高，以及鐵磁金屬本身自旋極化率較低，導致注入的效率較低 (< 30% )。為了克服上述問題，本發(fā)明采用鐵磁性半金屬薄膜作為自旋注入源。鐵磁性半 金屬的特點在于具有兩個不同的自旋子能帶，一種自旋取向的電子呈現(xiàn)金屬性，另一種自 旋取向的電子呈現(xiàn)絕緣體或半導體性質(zhì)，有利于解決電阻率不匹配問題，同時，由于在費米 面附近傳導電子自旋方向都相同，極化率為100%，隧穿后的電流保持高自旋極化率，因此 半金屬薄膜是理想的自旋注入源。自旋檢測方法也有光學和電學方法兩類，電學方法如利用GMR、TMR效應(yīng)檢測自旋 極化度，光學方法可以利用探測到的電致熒光的偏振度檢測，即自旋極化的電子在電場的 驅(qū)動下漂移到量子阱中和襯底方向漂移過來的空穴復合發(fā)光，檢測發(fā)出熒光的偏振度從而 推斷出電子自旋極化度。電子在漂移過程中會經(jīng)歷各種弛豫過程，目前采用這種方法的樣 品結(jié)構(gòu)多為單量子阱，這種結(jié)構(gòu)只能得到在該量子阱處的信息，無法得知自旋極化的空間 分布情況，本發(fā)明采用多量子阱，具體為三個不同寬度的量子阱，三個量子阱和注入結(jié)的距 離不同，可得到空間分辨的自旋遲豫信息。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供了一種高極化度自旋電學注入與檢測結(jié)構(gòu)，以得到自旋在空間中遲豫的信息。( 二 )技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，包括一襯底；一緩沖層，生長在襯底之上，用于平滑襯底；一重摻雜下電極層，生長在緩沖層之上，用于做歐姆接觸和提供復合發(fā)光所需的 空穴；一 LED結(jié)構(gòu)P區(qū)，生長在重摻雜下電極層之上；一多量子阱結(jié)構(gòu)，該多量子阱結(jié)構(gòu)中各量子阱距離注入結(jié)的距離不同，量子阱的 寬度不同，用于通過光探測的方法得到注入電流的自旋極化度和空間分辨的自旋遲豫信 息；一 LED結(jié)構(gòu)N區(qū)，生長在多量子阱結(jié)構(gòu)之上；一鐵磁性半金屬薄膜，生長在LED結(jié)構(gòu)N區(qū)之上，作為自旋電子流的注入源。上述方案中，所述襯底采用的材料為半絕緣GaAs，在該襯底上生長各層外延材料。上述方案中，所述緩沖層采用的材料為半絕緣GaAs。上述方案中，所述重摻雜下電極層采用的材料為P+-GaAs,厚度是lOOnm，摻雜濃度 η = IXlO1W3O上述方案中，所述LED結(jié)構(gòu)P區(qū)采用的材料為P+-Ala AEia9As,厚度為lOOnm，摻雜 濃度 η = IX IO18CnT3。上述方案中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括依次生長的
第一勢壘層，厚度IOOnm ；第一勢阱層，厚度20nm;第二勢壘層，厚度25nm ；第二勢阱層，厚度12nm;第三勢壘層，厚度25nm ；第三勢阱層，厚度8nm ；以及第四勢壘層，厚度IOnm;其中，第一至第四勢壘層所用材料為非摻雜AlaiGiia9As,第一至第三勢阱層所用 材料全部為非摻雜GaAs，且勢壘層和勢阱層交替生長的方式形成了三個量子阱。上述方案中，所述LED結(jié)構(gòu)N區(qū)采用的材料為Ii+-AlaiGiia9As,厚度為5nm，摻雜濃 度 η = 4 X IO18CnT3。上述方案中，所述鐵磁性半金屬薄膜采用的材料為Co2FeAl,厚度為lOnm。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，由于采用了鐵磁性半金屬薄 膜CofeAl作為自旋注入源，因而隧穿到有源區(qū)的電子自旋極化度接近100% ；采用多量子 阱LED結(jié)構(gòu)探測復合發(fā)光，不僅可以得到自旋電子流注入極化度，而且能夠得到自旋遲豫 在空間中的變化信息。2、本發(fā)明提供的這種高極化度自旋電學注入與檢測結(jié)構(gòu)，由于采用了鐵磁性半金屬作為自旋極化源，因而隧穿到半導體中的自旋電子流極化度接近100%，隧穿后的自旋電 子在多量子阱LED中復合發(fā)光，通過探測發(fā)出的偏振光的極化度，不僅能夠推斷出自旋電 子流的極化度，并且能夠得到自旋在空間中遲豫的信息。


圖1是本發(fā)明提供的高極化度自旋電學注入與檢測結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是本發(fā)明提供的高極化度自旋電學注入與檢測結(jié)構(gòu)在外加負偏壓時的能帶 示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖1是本發(fā)明提供的高極化度自旋電學注入與檢測結(jié)構(gòu)的示意圖，該結(jié)構(gòu)包括 一半絕緣GaAs襯底10，在襯底上生長各種外延材料；一緩沖層20，緩沖層材料是半絕緣 GaAs，厚度是500nm，緩沖層可以使得樣品基底更平滑，其后生長的結(jié)構(gòu)完整性更好；一重 摻雜下電極層30，材料是P+-GaAs,厚度是lOOnm，摻雜濃度η = 1 X 1018cm_3用于做歐姆接觸 和產(chǎn)生復合發(fā)光所需的空穴；一 LED結(jié)構(gòu)ρ區(qū)40，材料是P+-Ala ^a0.9As,厚度是lOOnm，摻雜 濃度η = 1 X IO18CnT3 ；—多量子阱結(jié)構(gòu)50，四個勢壘層和三個勢阱層交替生長，形成三個量 子阱，其中勢壘層(51、53、55、57)材料是非摻雜Altl. Aiia9As,厚度依次是lOOnm、25nm、25nm 和10nm，勢阱層(52、M、56)材料是非摻雜GaAs，厚度依次是20nm，12nm和8nm ；— LED結(jié) 構(gòu)η區(qū)60，η區(qū)材料是Ii+-AlaiGEici. 9As，厚度是5nm，摻雜濃度η = 4 X IO1W ；一鐵磁性半金 屬薄膜70，材料是Co2FeAl,厚度為10nm。鐵磁性半金屬薄膜本身在費米能級附近自旋極化度為100%，半金屬和半導體勢 壘阻擋熱電子通過，半金屬和半導體電阻匹配度較高，使得隧穿過勢壘的電子自旋極化度 接近100%。采用三個量子阱探測電子和空穴的復合發(fā)光，不僅能夠得到注入的自旋電子流的 極化度，而且能夠得到空間分辨的自旋遲豫信息。圖2是在外加負偏壓(表面電極接負，下電極層30接正)時半本發(fā)明結(jié)構(gòu)能帶示 意圖。表面鐵磁性半金屬CoJeAl薄膜70和LED結(jié)構(gòu)中η區(qū)60的半導體材料η+-Α1α ^a0.9As 之間存在肖特基勢壘，勢壘的存在可以阻擋熱電子通過，使保證入射的電子均是通過隧穿 機制注入，具有自旋極化度。在不加偏壓的情況下，LED中n-i-p結(jié)構(gòu)存在內(nèi)建電場，從η 區(qū)到P區(qū)形成一勢壘，阻止η區(qū)的電子和ρ區(qū)的空穴向中間移動，從而沒有凈電子流注入， 也沒有電子和空穴在i區(qū)復合發(fā)光。用濕法腐蝕的方法將樣品部分腐蝕到重摻雜下電極層 30，留下柱形臺面，下電極由Au/Ge/Ni合金形成歐姆接觸，上電極在鐵磁性半金屬薄膜上 用Ag/Au做歐姆接觸。當在上下電極之間加足夠大的負向偏壓時，n-i-p結(jié)構(gòu)的內(nèi)建電場 被外加偏壓抵消，從η區(qū)60到ρ區(qū)30的勢壘消失，η區(qū)和ρ區(qū)的電子空穴在電場的驅(qū)動下 相對運動，在中間復合，同時，電子可以從鐵磁性半金屬薄膜70 —邊隧穿到半導體一邊60。下面分自旋注入與檢測兩個部分結(jié)合圖2介紹本發(fā)明的工作原理。首先介紹自旋 注入部分。圖2的最左邊是鐵磁性半金屬薄膜Co2FeA170的能帶E_k關(guān)系示意圖，其中左半邊箭頭向上代表自旋向上的電子能帶，右半邊箭頭向下代表自旋向下的電子能帶。由于 Co2FeAl的鐵磁性半金屬特性，由圖可見，自旋向上的部分導帶有非局域的自由電子，呈現(xiàn) 金屬性，而自旋向下的部分導帶沒有自由電子，呈現(xiàn)絕緣體性質(zhì)。當費米能級&位于自旋 向下的導帶中間時，費米能級附近的電子均為自旋向上，因此自旋極化度是100%，遠遠高 于一般狗膜等金屬薄膜的初始極化度( 44% )。因為后面探測過程采用Faraday配置， 因此外加一磁場使鐵磁性半金屬薄膜的磁化方向從平面內(nèi)翻轉(zhuǎn)到垂直樣品表面方向。施加 外加負偏壓后，這部分自旋極化的電子隧穿過鐵磁性半金屬薄膜/半導體勢壘(70/60)，由 于鐵磁性半金屬和半導體的電阻匹配率遠高于金屬和半導體的匹配率，因此隧穿過程對自 旋的散射作用前者相對于后者小的多，可以認為隧穿后的電子極化度接近100%，從而實現(xiàn) 了電子自旋的高極化度電學注入。接下來介紹自旋電子流的檢測。隧穿后的自旋極化電子在電場的驅(qū)動下向底電 極移動，和來自P+-GaAs層30的非極化空穴在中間多量子阱區(qū)50復合，發(fā)出熒光。自旋極 化的電子在到達量子阱前經(jīng)歷一系列自旋散射過程，遲豫掉一部分凈自旋，但仍然保持著 一定的極化度。在量子阱中，由于量子限制效應(yīng)，輕重空穴在能量上分開，對于AlaiGiia9As/ GaAs/Al0. !Ga0^As量子阱來說(如55/56/57)，只有重空穴能參與到和極化電子的復合發(fā)射 過程，發(fā)出熒光的極化度等于達到量子阱時的電子自旋極化度，自旋向上和自旋向下的電 子發(fā)出的熒光分別對應(yīng)左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，因而探測注入電子在垂直樣品表面 方向探測發(fā)出的左旋和右旋熒光的極化度，即可以推斷出自旋電子流的極化度。本發(fā)明結(jié) 構(gòu)中設(shè)置了三個量子阱(52、54、56)，這樣比一般的單一量子阱LED結(jié)構(gòu)的好處是能夠得到 空間分辨的自旋信息。如前所述，自旋電子在向底電極移動過程中會經(jīng)歷一系列自旋散射 過程，隨離開注入結(jié)漂移的距離不同遲豫的程度不同，三個量子阱和注入結(jié)(70/60)的距 離分別是15nm、48nm和85nm，能夠反映出它們所在處電子流的自旋狀態(tài)。三個阱的寬度不 同，分別是8nm、12nm和20nm，落入其中的電子發(fā)出的熒光峰位波長也就不同，通過不同波 長就可以判斷出是在哪個量子阱處的發(fā)光，再分別計算其圓偏振光極化度，就可以得到自 旋電子流極化度的空間遲豫信息。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 一襯底；一緩沖層，生長在襯底之上，用于平滑襯底；一重摻雜下電極層，生長在緩沖層之上，用于做歐姆接觸和提供復合發(fā)光所需的空穴；一 LED結(jié)構(gòu)P區(qū)，生長在重摻雜下電極層之上；一多量子阱結(jié)構(gòu)，該多量子阱結(jié)構(gòu)中各量子阱距離注入結(jié)的距離不同，量子阱的寬度 不同，用于通過光探測的方法得到注入電流的自旋極化度和空間分辨的自旋遲豫信息； 一 LED結(jié)構(gòu)N區(qū)，生長在多量子阱結(jié)構(gòu)之上；一鐵磁性半金屬薄膜，生長在LED結(jié)構(gòu)N區(qū)之上，作為自旋電子流的注入源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底采用 的材料為半絕緣GaAs，在該襯底上生長各層外延材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述緩沖層采 用的材料為半絕緣GaAs。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述重摻雜下 電極層采用的材料為P+-GaAs,厚度是lOOnm，摻雜濃度η = 1 X IO18cnT3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED結(jié)構(gòu)P 區(qū)采用的材料為P+-Ala AEia9As,厚度為lOOnm，摻雜濃度η = lX1018Cm_3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多量子阱 結(jié)構(gòu)包括依次生長的第一勢壘層，厚度IOOnm ； 第一勢阱層，厚度20nm; 第二勢壘層，厚度25nm; 第二勢阱層，厚度12nm; 第三勢壘層，厚度25nm; 第三勢阱層，厚度8nm;以及 第四勢壘層，厚度IOnm;其中，第一至第四勢壘層所用材料為非摻雜AlaiG^l9As,第一至第三勢阱層所用材料 全部為非摻雜GaAs，且勢壘層和勢阱層交替生長的方式形成了三個量子阱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED結(jié)構(gòu)N 區(qū)采用的材料為Ii+-AlaiGEia9As,厚度為5nm，摻雜濃度η = 4 X IO18cnT3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鐵磁性半 金屬薄膜采用的材料為Co2FeAl,厚度為lOnm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高極化度自旋注入與檢測結(jié)構(gòu)，包括一襯底，在該襯底上生長各層外延材料；一緩沖層，該緩沖層用于平滑襯底，使后續(xù)的外延結(jié)構(gòu)完整性更好；一重摻雜下電極層，用于做歐姆接觸和提供復合發(fā)光所需的空穴；一LED結(jié)構(gòu)P區(qū)；一多量子阱結(jié)構(gòu)，各量子阱依次生長，距離注入結(jié)的距離不同，阱的寬度不同，通過光探測的方法得到注入電流的自旋極化度和空間分辨的自旋遲豫信息；一LED結(jié)構(gòu)N區(qū)；一鐵磁性半金屬薄膜，作為自旋電子流的注入源。利用本發(fā)明，不僅可以得到自旋電子流注入極化度，而且能夠得到自旋遲豫在空間中的變化信息。
文檔編號H01L33/06GK102136535SQ20101060293
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者袁思芃 申請人:中國科學院半導體研究所