稀磁半导体与自旋电子学

稀磁半导体与自旋电子学第1页，共26页，2023年，2月20日，星期六软磁材料：在工业化潮流的推动下，上个世纪早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡莫合金等软磁材料。在无线电技术需求的推动下，40年代又发展了适用于射频的磁粉介质、铁氧体材料，特别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。永磁材料：金属永磁体，碳钢、钨钢及钴钢等。铁氧体稀土永磁材料在基本磁学问题研究取得不断进展的同时，磁性材料的应用也得到了快速发展。永磁材料在微波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、国防和日程生活等各领域的应用极为广泛。第2页，共26页，2023年，2月20日，星期六现代磁学向新磁学的过渡经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识逐渐趋于成熟尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲基本磁学理论已经建立，对磁相关现象的认识不断深化，从表面到本质、从宏观到微观，解释也逐渐趋于完善。对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、磁化强度、电子自旋极化率。有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料科学问题，而较少在凝聚态物理领域讨论了，磁学研究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电子学为标志的新磁学研究。第3页，共26页，2023年，2月20日，星期六自旋电子学是基于操纵和控制自旋的电子学，它或将自旋(或磁性)作为信息的载体，通过电流或电压进行操控;或将自旋或磁场作为操控电荷或电流信息的手段。操纵电子自旋是指控制自旋的布居，或操控载流子集合的自旋取向，或对单个电子或少数电子自旋进行相干操控。自旋电子学可同时利用电子的自旋和电荷的性质，以实现电子学的功能或量子计算。自旋电子学的研究对象包括电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。目前超大规模集成电路上元件的密度已达，器件尺寸已接近目前公认最小尺度20nm，要想突破这个尺寸限制，就必须利用电子的自旋,把自旋作为信息储存、处理、输运的主体。第4页，共26页，2023年，2月20日，星期六按照美国加州大学Awschalom教授的观点，自旋电子学器件可分为三个层次：基于铁磁性金属的器件；自旋注入半导体器件；单电子自旋器件。目前进人应用的器件(如GMR自旋阀)还只处于第一层次，对于自旋控制和自旋极化输运的了解处于较为肤浅的阶段，对各种新现象、新效应的理解基本上只是半经典的和唯象的。因此，自旋电子学的发展还面临很多更大的挑战，当然，机遇与挑战是并存的。自旋电子学器件的三个层次第5页，共26页，2023年，2月20日，星期六一、基于铁磁金属的自旋电子器件巨磁电阻(GMR)效应铁磁金属与合金的饱和磁致电阻值很小，只有约1%一5%。1988年，Fe/Cr金属多层膜在外磁场中电阻变化率高达50%的巨磁电阻效应(GMR)被发现，各国科学家开始从理论和实验上对多层膜GMR效应展开了广泛而深人的研究。GMR产生机制取决于非铁磁层两边的铁磁层中电子的磁化(磁矩)方向，用于隔离铁磁层的非铁磁层，只有几个纳米厚，甚至不到一个纳米。当这个隔离层的厚度是一定的数值时，铁磁层的磁矩自发地呈现反平行，而加到材料的外磁场足够大时，铁磁材料磁矩的方向变为相互平行。电子通过与电子平均自由程相当厚度的纳米铁磁薄膜时，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向一致的电子较易通过，自旋磁矩的取向与薄膜磁化方向不一致的电子难以通过。因此，当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，从而使磁电阻发生很大变化。第6页，共26页，2023年，2月20日，星期六第7页，共26页，2023年，2月20日，星期六自旋阀(Spin-valve，SV)对于反铁磁藕合的多层膜,需要很高的外磁场才能观察到GMR效应，故并不适用于器件应用。在GMR效应基础上，人们设计出了自旋阀，使相邻铁磁层的磁矩不存在(或只存在很小的)交换耦合。自旋阀的核心结构是两边为铁磁层，中间为较厚的非铁磁层构成的GMR多层膜。其中，一边的铁磁层矫顽力大，磁矩固定不变，称为被钉扎层；而另外一层铁磁层的磁矩对小的外加磁场即可响应，为自由层。由于被钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生变化导致GMR的电阻值改变。如此，在较低的外磁场下相邻铁磁层磁矩能够在平行与反平行排列之间变换，从而引起磁电阻的变化。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。第8页，共26页，2023年，2月20日，星期六这种非耦合型自旋阀的优点有（1）磁电阻变化率对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；(2)饱和场低，灵敏度高。虽然自旋阀结构的磁电阻变化率不高，通常只有百分之几，但饱和场较低，使磁场灵敏度大大提高；(3)自旋阀结构中铁磁层的磁矩的一致转动，能够有效地克服巴克豪森效应，从而使信噪比提高。第9页，共26页，2023年，2月20日，星期六磁隧道结(MagneticTunnelJunctions，MTJ)非磁层为绝缘体或半导体的磁性多层膜即磁性隧道结，通常，磁性隧道结是由两层纳米磁性金属薄膜(FM)和它们所夹的一层氧化物绝缘层（I）所组成的三明治结构(FM/I/FM)，I层的厚度约为1~1.5纳米。这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。如果两铁磁电极的磁化方向平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态电子将进入另一个电极中的多数自旋态的空态，同时少数自旋态电子也从一个电极进人另一个电极的少数自旋态的空态。即磁化平行时，两个铁磁电极材料的能带中多数电子自旋相同，费米面附近可填充态之间具有最大匹配程度，因而具有最大隧道电流。如果两电极的磁化反平行，则一个电极中费米能级处的多数自旋态的自旋角动量方向与另一个电极费米能级处的少数自旋态的自旋角动量平行，隧道电导过程中一个电极中费米能级处占据多数自旋态的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋态的空态，因而其隧道电流变为最小。通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可观测到大的隧穿磁电阻(TMR)。隧道结巨磁电阻可得到比自旋阀更高的MR数值，新近的水平在室温下达到40%。同时，磁隧道结还具有低功率损耗、低饱和场等特点。MTJ技术已用于制备比自旋阀更先进的磁盘读出头，目前得到的磁记录密度最高约为20Gb每平方英寸。第10页，共26页，2023年，2月20日，星期六MagneticTunnelJunctions第11页，共26页，2023年，2月20日，星期六磁性随机存取存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)第12页，共26页，2023年，2月20日，星期六二、基于半导体的自旋电子学在半导体中有可能实现包括放大器在内的多种功能的自旋电子学器件。在半导体中和自旋相关的现象比金属中更为丰富。自旋极化除了和外界的磁、光、电存在各种相互作用以外，在内部也存在多种相互作用：自旋一轨道相互作用、交换相互作用、电子自旋和核自旋之间的超精细结构相互作用等。一些新的功能可以通过自旋注入、自旋输运和控制自旋态来实现。这些涉及半导体材料的自旋研究工作自然就导致半导体自旋电子学的出现。按照磁性分类，存在三种类型的半导体：磁性半导体、稀磁半导体和非磁性半导体第13页，共26页，2023年，2月20日，星期六关于磁性半导体的研究可以追溯到上个世纪60年代。首先是关于浓缩磁性半导体(ConcentratedMagneticSemiconductor)的研究。所谓浓缩磁性半导体即在每个晶胞相应的晶格位置上都含有磁性元素原子的磁性半导体,例如Eu或Cr的硫族化合物:岩盐结构(NaCl-type)的EuS和EuO以及尖晶石结构(Spinels)的CdCr2S4和CdCr2Se4等，这些浓缩磁性半导体也被称为第一代磁性半导体。巡游载流子和磁性离子的局域电子之间相互作用使得这些浓缩磁性半导体具有一些引人注目的物理性质，尤其在金属-绝缘体相变点附近的光学和输运性质强烈地依赖于磁矩和外加磁场。上个世纪60年代末至70年代初人们对它们进行了广泛的研究,在基本磁性质、磁光和磁输运特征方面取得了一些重要的研究成果，现在倍受重视的重费米子体系就是那时众多研究结果的副产品之一。最近的研究结果表明,掺杂的Eu硫族化合物靠近导带边的电子具有100%自旋极化度，并且适当的掺杂浓度可以使这类材料的电导率与半导体材料的电导率相匹配。如果不是因为居里温度太低,浓缩磁性半导体也可以作为理想的完全自旋极化的源材料。第14页，共26页，2023年，2月20日，星期六Eu硫族化合物居里温度很低，如未掺杂EuS和EuO的最高居里温度分别为16.5K和69.3K，即使掺入4%的Gd，EuO的最高居里温度也只能达到170K，远低于实际应用的要求；尖晶石结构的CdCr2S4和CdCr2Se4的居里温度也很低，分别为84.5K和129.5K。限制浓缩磁性半导体实际应用的不仅仅是其远低于室温的居里温度,高质量的浓缩磁性半导体薄膜及其异质结构的生长制备和加工方面也存在着难以克服的困难,因此,迄今为止这些岩盐结构和尖晶石结构的磁性半导体主要用于基础研究和概念型器件的研究。第15页，共26页，2023年，2月20日，星期六进入上个世纪80年代，人们开始关注稀磁半导体(DilutedMagneticSemiconductor)即少量磁性元素与II-VI族非磁性半导体形成的合金，如(Cd,Mn)Te和(Zn,Mn)Se等，这些II-VI族稀磁半导体可以称为第二代磁性半导体。II-VI族稀磁半导体的磁性质受局域自旋之间的反铁磁性超交换作用控制，不同的磁性原子浓度和不同的温度条件可以导致顺磁、自旋玻璃或反铁磁等不同磁性行为。许多II-VI族稀磁半导体的光学性质如法拉第(Faraday)效应可以被外加磁场大幅度的调制，利用块状(Cd,Mn)Te和(Cd,Hg,Mn)Te晶体的巨法拉第效应和高透明度等特点制备出的波长为0.98微米的光隔离器已经实现商品化。虽然II-VI族稀磁半导体相对容易制备，但是若掺杂成n型或p型却是非常困难的，这严重地限制了其实际应用。第16页，共26页，2023年，2月20日，星期六上世纪80年代末和90年代中期，利用低温分子束外延技术(LT-MBE)生长的Mn掺杂III-V族稀磁半导体(In,Mn)As和(Ga,Mn)As等引起了人们的高度关注，我们可以称以(Ga,Mn)As为代表的III-V族稀磁半导体为第三代磁性半导体。这些III-V族稀磁半导体很容易与III-V族非磁性半导体GaAs、AlAs、(Ga,Al)As和(In,Ga)As等结合形成异质结构，并且与呈现巨磁阻(GMR)效应的金属多层膜类似,其异质结构中也存在着自旋相关的散射、层间相互作用耦合、隧穿磁阻等现象。更有意义的是，几个实验室已经得到了III-V族稀磁半导体自旋相关器件的一些雏形。例如，Ohno实验室设计制备出(Ga,Mn)As基自旋光发射二极管(Spin2LED)和(In,Mn)As基自旋场效应晶体管(Spin-FET)等。可以说,(Ga,Mn)As等III-V族稀磁半导体的问世揭开了磁性半导体研究新的一页。第17页，共26页，2023年，2月20日，星期六目前,(In,Mn)As和(Ga,Mn)As的居里温度分别低于90K和173K，尚不能满足实际工作要求。Dietl等用平均场模型计算得出一些半导体(包括III2V、II2VI和IV族)的居里温度在Mn掺杂含量和空穴浓度达到一定水平时可以提高到室温以上,因此,提高稀磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为目前半导体自旋电子学研究的一个热点。LT-MBE第18页，共26页，2023年，2月20日，星期六Predicted

CurieTemperatures

(Tc)forvariousp-type

semiconductors第19页，共26页，2023年，2月20日，星期六Electro-opticalinjectionanddetectionRaisingtheCurietemperature第20页，共26页，2023年，2月20日，星期六半导体自旋电子学主要包括两个领域：半导体磁电子学(SemiconductorMagneto-electronics)它是将磁性功能结合进半导体中,如磁性半导体或半导体与磁性材料的复合材料。由此可以研制光学隔离器、磁传感器以及非挥发性内存等半导体器件。如果将光学、磁学和电学性质结合起来，还会产生自旋场效应晶体管、自旋发光二极管和自旋共振隧穿器件等多功能自旋器件。换言之，将磁与电和光结合到一起,形成所谓的金三角(GoldenTriangles)半导体量子自旋电子学（SemiconductorQuantumSpinElectronics）它主要是指自旋的量子力学特性在半导体中的应用。如T赫兹光开关、调制器、加密/解码器以及量子比特等等。第21页，共26页，2023年，2月20日，星期六OpticalIsolators

第22页，共26页，2023年，2月20日，星期六第23页，共26页，2023年，2月20日，星期六Spin-LED（Electro-opticalinjectionanddetection）

第24页，共26页，2023年，2月20日，星期六自旋的注人、输运和检测是实现自旋电子器件最基本的条件。自旋注入就是自旋极化的形成，本质就是自旋的非平衡布局。在自旋注人方面，最大的问题是如何将一束高度自旋极化的电流从稀磁半导体有效并且没有大损失地注人到普通半导体中。实现自旋注入主要有两种方法：其一是光取向或光抽运