半导体自旋电子学的最新研究进展

半导体自旋电子学的最新研究进展

1112

张家鑫许丽萍王忠斌范石伟

（1.中北大学理学院物理系山西太原 030051；2.内蒙古科技大学材料与冶金学院内蒙古包头 014010）

摘 要：自旋电子学起源于巨磁阻效应（GMR），目前已经成为凝聚态物理学领域的研究热点，其中半导体自旋电子学是自旋电子学中人们所关注的一个重要领域。从磁性半导体、自旋电子的注入、检测、输运等方面综述半导体自旋电子学的最新研究进展，并且指出目前半导体自旋电子学研究的重点及难点。

关键词：巨磁阻效应；电子注入；半导体自旋电子学；自旋输运

中图分类号：TN3 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2010）1010037－01

0 引言的偏振度，来确定电子的极化率[8]研究证明，光学方法最大的优点就是能

避免其它电学效应的影响。电学检测方法又分隧道结法、点接触发、1988年，在磁性多层膜中首次发现了巨磁阻效应[1]，特别是1995年

Tedrow-Meserey实验法、Andreev反射法，但是电学法采用了与被测材料直在铁磁隧道结材料中发现了室温隧穿磁电阻效应[2]，人们对电子自旋自由

接接触的结构，其界面存在较严重的自旋散射，还存在电导率的不匹配问度的研究势如破竹。现在研究电子自旋的控制与输运已经成为凝聚态物理

题，自旋极化电子的驰豫以及Hall效应的干扰的都是此方法的难点，最研究的热点之一，并由此发展成一门新的交叉学科——自旋电子学，也被

近，有人通过对伴随自旋流的其他物理量现象的测量来探测自旋流，比如称为磁电子学。目前已经研制成功的自旋电子器件：巨磁电阻、自旋阀、

实验中在室温下成功通过测量自旋流对Ni81Fe19薄层自旋弛豫的调制实现磁隧道结等，都是基于铁磁金属材料，与传统的电子器件相比，自旋电子

了在不需要材料微观参数的情况下对自旋流的测量[9]。

器件具有稳定性好，数据处理速度快，功率损耗低以及集成密度高的优

3 自旋霍尔效应

点。

由于铁磁金属难于发展具有放大功能的自旋晶体管，也难于实现自旋在外加电场下，材料中的自旋向上的电子和自旋向下上的电子由于各器件的集成制造和与传统微电子器件的一体化集成制造。因此人们认为半自形成的磁场方向相反，会各自在材料的相反两边形成自旋积累，这就是导体是研究自旋电子器件集成化最好的材料，于是就形成了今天的半导体自旋霍尔效应（spinhalleffect简写为SHE）如图1所示。

自旋电子学,成为当今物理领域研究的热点。然而，目前，对半导体自旋电

子的研究还处于理论和实验阶段，主要研究基本问题是如何实现半导体中

电子自旋的极化注入、检测、输运以及自旋流的产生。本文就半导体自旋

电子学的研究进展作一个简单的论述。

1 自旋电子的注入

制造自旋电子器件最关键的问题就是在不需要强磁场和室温情况下如

何把自旋极化电子从磁性半导体注入到非磁性半导体内。目前自旋电子的

注入来源主要有稀磁半导体、铁磁半导体以及铁磁金属，采用的注入方法

图1 自旋霍尔效应示意图

主要有五种：欧姆注入法；隧道结注入法，弹道电子自旋注入、热电子注

实验上已经观察到自旋霍尔效应，实验上通过测量自旋积累来探测自入，此外用稀磁半导体也能向非磁半导体内注入自旋极化电子，本文就介

旋霍尔效应，除了自旋共振技术[10]外，常利用电光效应和磁光效应，例绍一下以上几种方法的最新研究。

如法拉第效应就是一种典型的磁光效应，通过测量法拉第角即可求出样品由于半导体表面是重掺杂，导致了自旋反转的散射和自旋极化率的下

中的磁矩，该技术的高灵敏度可以检测由于外加横向电场引起的小的自旋降。因此欧姆注入法这种方法的自旋注入率很低。研究表明：到目前为

极化[11]，此外早在1999年有人提出电测量方案，通过测量电势差可求得止，用欧姆注入法最好的报道为4.5%的自旋极化注入效率[3]。最近，有人

样品上的横向自旋积累[12]。如今这种方法实验室已经实现，电流通过铋从Ni81Fe19薄膜向外延多层膜结构InAs形成的二维电子气中注入的自旋电子

时由于自旋霍尔效应在表面产生自旋积累，Ni81Fe19电极可探测到由自旋积借助紧邻的Ni81Fe19电极被探测到。在20k的温度下，InAs中的电子的自旋扩

累产生的化学势，该实验在3.0K下自旋霍尔效应电导率 和自旋注入率散长度是1.8 。Ni 81Fe19/InAs界面注入的电子自旋极化率为1.9%，甚至在

的乘积 [13]。 的值随温度上升而下降。这室温下仍保持在1.4%[4]。Hanbicki[5]等制备了Fe/AlGaAs/GaAs半导体量子

种对温度的依赖现象表明铋中的自旋霍尔效应是非本征自旋霍尔效应。本阱LED结构，实现从Fe到AlGaAs的自旋注入，注入效率可达30%因此，采用

实验实现了自旋积累信号向电压信号的转化，使自旋霍尔效应的电学测量FM-绝缘层-半导体隧穿二极管或者是金属/半导体Schottky势垒二极管可能

成为可能；还实现了大的逆自旋霍尔效应和自旋霍尔效应的产生和检测成为自旋电子注入到半导体的有效方法。近期有人从Fe（001）通过

[14]，室温下自旋霍尔电阻可达2.9m 。在应用方面，自旋霍尔效应为自Fe/ZeSe界面形成的反偏压肖特基隧穿势垒注入到n型掺杂的Fe/ZeSe（001）

旋电子注入和用电场控制自旋电子提供了一种新途径，提供了一种在半导中，自旋电子在n-ZeSe层输运300nm后进入GaAs中复合，在温度为20k，

体中传递信息的新方法，并有助于制造实用的自旋电子器件。

100k时测得电子的自旋极化率分别为55%和54%，GaAs中电子自旋极化率在

4 总结与展望

20-100k范围内与温度无关[6]。从Fe薄膜经Al2O3隧穿势垒注入到Si（001）

中，在5k温度下Si中的电子自旋极化率下限为10%，估计值可达到30%，并目前自旋极化电子的注入与检测的研究不是很成熟，无论是在理论还且直到125k，Si中的电子自旋极化率仍有较大值[7]。是在实验方面，存在许多问题有待于解决。影响注入效率的因素很多，包

2 自旋流检测括界面质量、缺陷和杂质密度。以及能带结构等，因此寻找好的自旋极化

电子来源的材料，研究出好的注入与检测方法，提高注入效率，提高居里目前，自旋流检测有光学检测和电学检测两种方法。其中比较成熟的

是光学检测方法，光学方法就是利用自旋极化的发光二极管和EL谱测量光（下转第31页）