一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)及注入方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)及注入方法，其中的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)包括襯底層和在所述襯底層上依次生長的緩沖層、共振隧穿結(jié)構(gòu)層以及帽層；所述共振隧穿結(jié)構(gòu)層沿生長方向依次為設(shè)置的：量子阱層、間隔層、量子點層；或者量子點層、間隔層、量子阱層；其中所述量子點層的晶格常數(shù)大于所述緩沖層、所述間隔層和所述帽層的晶格常數(shù)。采用這種共振隧穿結(jié)構(gòu)通過半導(dǎo)體量子點層與量子阱層的耦合-隧穿效應(yīng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中勢壘層材料中初始自旋極化率低與能量弛豫引起的自旋損失高的問題。
【專利說明】一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)及注入方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于隧穿效應(yīng)的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)及注入方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，器件尺寸越來越小，量子效應(yīng)變得越來越顯著，摩爾定律受到了極大的挑戰(zhàn)。自旋電子學(xué)是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(xué)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II1-V族化合物半導(dǎo)體材料制備而成的自旋器件可以跟傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝銜接，無需重新鋪設(shè)生產(chǎn)線，因此是研究的熱點。
[0003]目前半導(dǎo)體量子點中自旋注入方法基本分為兩類:
[0004]電學(xué)注入法:通過磁性電極材料電學(xué)注入自旋極化的載流子。
[0005]光學(xué)注入法:通過左旋或者右旋偏振激光在勢壘層、浸潤層或者量子點中產(chǎn)生自旋極化的載流子或者激子。
[0006]由于勢壘層體積遠大于浸潤層和量子點體積，因此現(xiàn)有的光學(xué)注入法中，通常激發(fā)勢壘層產(chǎn)生充足的自旋極化的載流子或激子，這些自旋極化的載流子或激子在經(jīng)歷聲子輔助的能量弛豫后轉(zhuǎn)移到量子點中。但是勢壘層中的重空穴和輕空穴能級簡并，載流子的極化率受到光學(xué)選擇定則限制，最高只能達到50%，而且極化載流子在從勢壘層向量子點轉(zhuǎn)移過程中也會產(chǎn)生明顯的自旋弛豫，因此從量子點光致發(fā)光譜中可探測到的自旋極化率一般低于35%。
[0007]現(xiàn)有專利文獻CN101562213A公開了一種光學(xué)自旋注入方法，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括襯底，以及在襯底層上依次生長的緩沖層、有源層、共振隧穿結(jié)構(gòu)、光吸收層、電子阻擋層、重摻雜層。該技術(shù)方案中的光吸收層的厚度要足夠厚，這樣才能通過光學(xué)吸收積累起數(shù)量的自旋極化的電子，自旋取向不同的電子的準費米面能夠分的比較開，保證同量子阱共振時只有一種自旋取向的電子可以共振隧穿出去，提高隧穿到有源區(qū)的電子的自旋極化度。由于在半導(dǎo)體量子點及其浸潤層或者量子阱中，重空穴和輕空穴能級簡并解除，載流子的極化率最高可達到100%，而且因聲子輔助能量弛豫引起的自旋損失也減小，因此可以在量子講和量子點中產(chǎn)生高效率的自旋注入。但是Stransk1-Krastanov(S-K)生長模式形成的半導(dǎo)體量子點及其浸潤層的體積都很小，共振激發(fā)所產(chǎn)生的極化載流子或激子數(shù)量嚴重不足，由此會導(dǎo)致自旋偏振光信號微弱，而且勢壘層中光激發(fā)產(chǎn)生的載流子或激子的初始極化率低于50%，因此需要一種方法在半導(dǎo)體量子點中產(chǎn)生高效率地注入自旋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)和注入方法，勢壘層自旋極化率低和半導(dǎo)體量子點、浸潤層產(chǎn)生的極化載流子或激子數(shù)量不足，從而提供一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)及注入方法。[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下方案:
[0010]本發(fā)明提供一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，包括襯底層和在所述襯底層上依次生長的緩沖層、共振隧穿結(jié)構(gòu)層以及帽層；所述共振隧穿結(jié)構(gòu)層沿生長方向依次為:量子阱層、間隔層、量子點層；或者量子點層、間隔層、量子阱層；其中所述量子點層的晶格常數(shù)大于所述緩沖層、所述間隔層和所述帽層的晶格常數(shù)。
[0011]進一步地，所述量子點層為Ina5Gaa5As量子點以Stransk1-Krastanov的生長模式生長形成，厚度小于或等于20nm。
[0012]進一步地，所述量子點層的厚度為1.5-2.0nm。
[0013]進一步地,所述量子點層的厚度為1.8nm。
[0014]進一步地,所述量子講層為InaiGaa9As材料生長形成,厚度小于或等于lOOnm。
[0015]進一步地，所述量子講層的厚度為20nm。
[0016]進一步地，所述緩沖層、所述間隔層和所述帽層的禁帶寬度均大于所述Ina5Gaa5As量子點的禁帶寬度以及所述InaiGaa9As材料的禁帶寬度。
[0017]進一步地,所述間隔層的厚度為2_15nm。
[0018]進一步地，所述間隔層的厚度為2nm。
[0019]本發(fā)明還提供一種基于上述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的光學(xué)自旋注入方法，包括如下步驟:`
[0020]S1:采用圓偏振激光激發(fā)所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)中的量子阱層，產(chǎn)生自旋極化的載流子或激子；
[0021]S2:所述自旋極化的載流子或激子通過共振隧穿和能量弛豫進入量子點層的激發(fā)態(tài)能級和基態(tài)能級，并發(fā)生輻射復(fù)合形成圓偏振光。
[0022]進一步地，所述步驟SI中，所述激光為連續(xù)激光或脈沖激光，所述激光為左旋或者右旋的圓偏振光，且所述激光的波長為830-880nm。
[0023]進一步地，所述步驟SI中，所述激光在激發(fā)時的激光能量高于或等于量子阱層中的電子和空穴的基態(tài)能量的差值，同時低于所述緩沖層、所述間隔層和所述帽層的禁帶寬度。
[0024]本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:
[0025](I)本發(fā)明所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其中的共振隧穿結(jié)構(gòu)包括量子阱層、間隔層和量子點層。利用圓偏振激光在半導(dǎo)體量子阱中產(chǎn)生數(shù)量充足且自旋高度極化的載流子或激子，通過半導(dǎo)體量子點層與量子阱層的耦合-隧穿效應(yīng)，超快、高效地向半導(dǎo)體量子點中注入自旋極化的載流子或激子，解決了現(xiàn)有技術(shù)中勢壘層材料中初始自旋極化率低與能量弛豫弓丨起的自旋損失嚴重的問題。
[0026](2)本發(fā)明所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，所述量子點層為Intl.Aac^5As量子點以Stransk1-Krastanov的生長模式生長形成，厚度小于或等于20nm,所述量子講層為InaiGaa9As材料生長形成，厚度小于或等于lOOnm。并且，所述緩沖層、所述間隔層和所述帽層的禁帶寬度均大于所述Ina5Gaa5As量子點的禁帶寬度以及所述InaiGaa9As材料的禁帶寬度。采用上述設(shè)置可以使InaiGaa9As材料形成的量子阱中的載流子或激子的基態(tài)能級高于Ina5Gaa5As材料形成的量子點中載流子或者激子的基態(tài)能級，并且量子阱中的載流子或激子可以與量子點的激發(fā)態(tài)能級形成電子耦合從而實現(xiàn)共振隧穿。[0027](3)本發(fā)明所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，所述間隔層為GaAs材料，其厚度為2_20nm，通過上述厚度設(shè)置能夠保證量子阱層和量子點層之間有一定的間隔。另外，優(yōu)選所述間隔層的厚度為2-15nm，在15nm以下時，能夠保證量子阱層和量子點層之間的耦合強度及載流子或激子的隧穿幾率，實現(xiàn)20ps以下的快速、高效的自旋注入。
[0028](4)本發(fā)明所述的光學(xué)自旋注入方法，采用圓偏振激光激發(fā)所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)中的量子阱層，產(chǎn)生自旋極化的載流子或者激子，這些載流子或者激子通過共振隧穿和能量弛豫進入Ina5Gaa5As量子點的激發(fā)態(tài)和基態(tài)能級并發(fā)生輻射復(fù)合形成圓偏振光。由于激發(fā)激光光子能量高于或等于量子阱層中的電子和空穴的基態(tài)能量的差值，同時低于所述緩沖層、所述間隔層和所述帽層的禁帶寬度值。從而在InaiGaa9As量子阱中產(chǎn)生高度極化的載流子或者激子，利用隧穿效應(yīng)實現(xiàn)從InaiGaa9As量子阱到Ina5Gaa5As量子點的高效率自旋注入。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中，
[0030]圖1是本現(xiàn)有技術(shù)中一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明一種實施例所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的示意圖之一；
[0032]圖3是本發(fā)明一種實施例所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的示意圖之二 ；
[0033]圖4是本發(fā)明一種實施例所述光學(xué)自旋注入方法的流程圖；
[0034]圖5是本發(fā)明一種實施例所述光學(xué)自旋注入方法的原理說明圖之一；
[0035]圖6是本發(fā)明一種實施例所述光學(xué)自旋注入方法的原理說明圖之二 ；
[0036]圖7是采用本發(fā)明一個實施例的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)及注入方法中InaiGaa9As量子阱層和Ina5Gaa5As量子點層中光致發(fā)光圓偏振度與間隔層厚度的關(guān)系。
[0037]圖中附圖標記表示為:1-襯底層，2-緩沖層，3-量子阱層，4-間隔層，5-量子點層，51-浸潤層，52-量子點，6-帽層，7-自旋極化的載流子或激子，701-量子阱層光致發(fā)光圓偏振度與間隔層厚度的關(guān)系，702-量子點層光致發(fā)光圓偏振度與間隔層厚度的關(guān)系，8-圓偏振激光，9-量子點光致發(fā)光，10-隧穿注入方向。
【具體實施方式】
[0038]實施例1
[0039]本實施例提供一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，如圖2、圖3所示，包括襯底層I和在所述襯底層I上依次生長的緩沖層2、共振隧穿結(jié)構(gòu)層以及帽層6。所述共振隧穿結(jié)構(gòu)層沿生長方向依次為:量子阱層3、間隔層4、量子點層5 ;或者量子點層5、間隔層4、量子阱層3 ;其中所述量子點層5的晶格常數(shù)大于所述緩沖層2、所述間隔層4和所述帽層6的晶格常數(shù)。
[0040]圖2和圖3所示的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)中，量子阱層3和量子點層5的順序顛倒，載流子或激子的方向都是從量子阱層3到量子點層5。
[0041]本實施例中可以采用分子束外延或者化學(xué)氣相沉積方法依次生長各層。其中共振隧穿結(jié)構(gòu)包括量子阱層6、間隔層4和量子點層5。如圖2所示，其中的量子點層5包括浸潤層51和量子點52。因為量子點層5的生長過程必須先經(jīng)歷生長浸潤層51的過程，然后在浸潤層51上生長量子點52，因此浸潤層51必須在量子點52的下方(此處所說的下方是指沿著生長方向的下方)。采用這種共振隧穿結(jié)構(gòu)通過半導(dǎo)體量子點層與量子阱層的耦合-隧穿效應(yīng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中勢壘層材料中初始自旋極化率低與能量弛豫引起的自旋損失嚴重的問題，并且半導(dǎo)體量子點層中的量子點及其浸潤層產(chǎn)生的自旋極化載流子或激子數(shù)量得到有效提高，能夠向量子點中快速、高效地注入自旋極化的載流子或激子。
[0042]本實施例中，所述量子點層5為Ina5Gaa5As量子點以Stransk1-Krastanov的生長模式生長形成，厚度小于或等于20nm。進一步地，所述量子點層5的厚度為1.5-2.0nm,所述量子點層5的厚度為1.8nm，所述量子阱層3為InaiGaa9As材料生長形成，厚度小于或等于lOOnm，優(yōu)選所述量子阱層3的厚度為20nm，所述緩沖層2、所述間隔層4和所述帽層6的禁帶寬度均大于所述Ina5Gaa5As量子點的禁帶寬度以及所述InaiGaa9As材料的禁帶寬度。采用上述設(shè)置可以使InaiGaa9As材料形成的量子阱中的載流子或激子的基態(tài)能級高于Ina5Gaa5As材料形成的量子點中載流子或者激子的基態(tài)能級，并且量子阱中的載流子或激子可以與量子點的激發(fā)態(tài)能級形成電子耦合從而實現(xiàn)共振隧穿。
[0043]所述間隔層4為GaAs材料生長形成，厚度為2_20nm，進一步地，所述間隔層4的厚度為2-15nm,優(yōu)選所述間隔層4的厚度為2nm。所述間隔層4的厚度在15nm以下時,能夠保證量子阱層和量子點層之間的耦合強度及載流子或激子的隧穿幾率，實現(xiàn)20ps以下的快速、高效的自旋注入。
[0044]本實施例中所述緩沖層2的厚度為400nm;所述帽層6的厚度為50nm。由于光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的襯底層1、緩沖層2和帽層6本身對自旋注入不會產(chǎn)生什么影響，因此其厚度只需要滿足沉積工藝以及實際應(yīng)用時的要求即可，在本實施例中不做過多要求。
[0045]實施例2
[0046]本實施例提供一種基于實施例1所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的光學(xué)自旋注入方法，如圖4所示，包括如下步驟:
[0047]S1:采用圓偏振激光激發(fā)所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)中的量子阱層3，產(chǎn)生自旋極化的載流子或激子；
[0048]S2:所述自旋極化的載流子或激子通過共振隧穿和能量弛豫進入量子點層5的激發(fā)態(tài)能級和基態(tài)能級，并發(fā)生輻射復(fù)合形成圓偏振光。
[0049]其中所述步驟SI中，所述激光為連續(xù)激光或脈沖激光，所述激光為左旋或者右旋的圓偏振光，且所述激光的波長為830-880nm。
[0050]其中所述步驟SI中，所述激光在激發(fā)時的激光能量高于或等于量子阱層3中的電子和空穴的基態(tài)能量的差值，同時低于所述緩沖層2、所述間隔層4和所述帽層6的禁帶寬度。
[0051]如圖5和圖6所示，圓偏振激光8激發(fā)量子阱層3，產(chǎn)生自旋極化的載流子或激子
7,自旋極化的載流子或激子7轉(zhuǎn)移到量子點52中，與量子點的激發(fā)態(tài)和基態(tài)能級發(fā)生輻射實現(xiàn)量子點光致發(fā)光9，圖中以箭頭表示本實施例中所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的隧穿注入方向10。
[0052]本實施例中，所述激光可以利用CXD或掃描(Sreak)探測器探測從量子阱層3和量子點52中發(fā)射的自旋偏振光光譜。從InaiGaa9As量子阱層和Ina5Gaa5As量子點層中探測到的光致發(fā)光譜或者時間分辨光致發(fā)光譜，分別獲取激光激發(fā)后量子阱層中自旋極化的載流子或激子的自旋狀態(tài)和自旋注入到量子點層中的載流子或激子的狀態(tài)，進而分析載流子或激子從Intl.JGa0.9As量子講層向Ina5Gaa5As量子點層的瞬態(tài)轉(zhuǎn)移過程。如圖7所不，給出了 InaiGaa9As量子阱層和Ina5Gaa5As量子點層中光致發(fā)光圓偏振度與間隔層厚度的關(guān)系。圖中橫坐標表示間隔層的厚度，縱坐標表示光致發(fā)光圓偏振度。從圖中可以看出間隔層的厚度相同時，量子點層的光致發(fā)光圓偏振度和量子阱層的光致發(fā)光圓偏振度非常接近，尤其在間隔層為2nm時差距最小，說明量子阱層中的自旋極化的載流子或激子幾乎百分之百轉(zhuǎn)移至了量子點層中。需要說明的是，圖7所對應(yīng)的測量結(jié)果是針對如下結(jié)構(gòu)獲得的:Ina Aaa9As量子阱層和Ina5Gaa5As量子點層都是利用分子束外延方法生長的，二者厚度分別是20nm和1.8nm,生長溫度分別是520°C和480°C。
[0053]本實施例中的上述方案，在量子阱層中可以激發(fā)產(chǎn)生高度(理論值可達100%)自旋極化的載流子或激子，而且量子阱層中的載流子基態(tài)與量子點層的載流子基態(tài)能量差較小，可以與量子點層中激發(fā)態(tài)能級形成共振，避免了能量弛豫引起的自旋損失。而且自旋極化的載流子或激子在耦合的半導(dǎo)體量子阱和量子點結(jié)構(gòu)中通過隧穿效應(yīng)實現(xiàn)快速、高效的自旋注入，在20ps之內(nèi)達到接近100%的自旋注入。
[0054]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括襯底層(I)和在所述襯底層(I)上依次生長的緩沖層(2)、共振隧穿結(jié)構(gòu)層以及帽層(6)； 所述共振隧穿結(jié)構(gòu)層沿生長方向依次為:量子阱層(3)、間隔層(4)、量子點層(5);或者量子點層(5)、間隔層(4)、量子阱層(3);其中所述量子點層(5)的晶格常數(shù)大于所述緩沖層(2)、所述間隔層(4)和所述帽層(6)的晶格常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子點層(5)為Ina5Gaa5As量子點以Stransk1-Krastanov的生長模式生長形成，厚度小于或等于20nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子點層(5)的厚度為1.5-2.0nm0
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子點層(5)的厚度為1.8nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子阱層(3)為InaiGaa9As材料生長形成,厚度小于或等于lOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子阱層(3)的厚度為20nmo
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6任一所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述緩沖層(2)、所述間隔層(4)和所述帽層(6)的禁帶寬度均大于所述Ina5Gaa5As量子點的禁帶寬度以及所述InaiGaa9As材料的禁帶寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隔層(4)的厚度為2_15nm0
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隔層(4)的厚度為2nm0
10.一種基于權(quán)利要求1-9任一所述的光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)的光學(xué)自旋注入方法,其特征在于，包括如下步驟: 51:采用圓偏振激光激發(fā)所述光學(xué)自旋注入結(jié)構(gòu)中的量子阱層(3)，產(chǎn)生自旋極化的載流子或激子； 52:所述自旋極化的載流子或激子通過共振隧穿和能量弛豫進入量子點層(5)的激發(fā)態(tài)能級和基態(tài)能級，并發(fā)生輻射復(fù)合形成圓偏振光。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于，所述步驟SI中，所述激光為連續(xù)激光或脈沖激光，所述激光為左旋或者右旋的圓偏振光，且所述激光的波長為830_880nm。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)自旋注入方法，其特征在于，所述步驟SI中，所述激光在激發(fā)時的激光能量高于或等于量子阱層(3)中的電子和空穴的基態(tài)能量的差值，同時低于所述緩沖層(2)、所述間隔層(4)和所述帽層(6)的禁帶寬度。
【文檔編號】H01L31/10GK103700732SQ201410005307
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】楊曉杰, 葉繼春, 朱忻 申請人:千人計劃（張家港）集成光電研究院有限公司