自旋场效应晶体管
摘要：自旋电子学是近年来新兴的备受关注的学科，其发展讲对未来电子工业发展起到重要作用。本文介绍了以自旋电子学为基础的一种新型半导体器件—自旋场效应晶体管，简要介绍了其基本原理，研究现状，及电导特性，应用前景。
关键词：自旋电子学电光效应自旋注入效率
引言：自旋电子学自1994年被确认为凝聚态领域的一个新型交叉学科而备受科学界和电子工业界的关注，具有广阔的应用前景。自旋电子学的出现被称为是1999年物理学界十大重大事件之一，它的研究已经成为凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的研发热点，并将成为本世纪信息产业的基础，对未来的电子工业发展将起到举足轻重的作用。
作为现代信息产业基本元素的半导体器件，是以电子（或空穴）的电荷特征来传递信息，而电子自旋由于随机取向，因而不携带信息。具体地说，通常电子在输运过程中由于碰撞而导致自旋磁矩在空间的取向混乱，因此在宏观输运性质中仅需要考虑电子具有电荷就足够了。自旋电子学不仅利用电荷，而且需利用电子的自旋特性，它将通过操纵电子自旋来进行信息处理。随着微加工技术和大规模集成电路的发展，电子器件的尺寸越做越小，当尺度在纳米范围内，自旋在很多方面要比电荷更优越，如数据处理快、能耗低、集成度高、稳定性好等。因此，自旋电子将会逐步取代微电子而成为工业的主流。
自旋电子学器件的应用，特别是在计算机信息产业中的应用已取得了巨大的成绩，如利用巨磁电阻（GMR）效应做的磁头用在计算机（2000年世界硬盘的产量已达2亿台）硬盘存储上，使记录密度由1988年得50Mb/in发展到2003年的100Gb/in，提高了千倍之多。这充分说明了GMR是未来外储存器市场最重要的类型产品，它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济效益。此外，利用GMR效应制备的磁随机存储器（MRAM）作为计算机内存芯片将是下一步推进计算机技术发展的一场革命，并有可能取代半导体芯片。1999~2001年，美国
的IBM ，摩托罗拉，德国的Infineon 等公司先后研制成功了实用的MRAM 芯片。 但这些还仅仅是自旋电子学的初步应用，目前，自旋极化电子在半导体的有效传输，操纵已基本实现。2002年6月《SCIENCE 》杂志还报道了利用电子自旋特性制作的亚微米尺寸磁性“非门”和寄存器，利用电子自旋还有可能制作自旋电子学器件，来实现量子计算，量子通信等，这些研究应用的理论基础就是自选输运的研究。在基于自旋的电子器件中，最富创意的就是有Datta 和Das 提出的自旋场效应晶体管。
自旋场效应晶体管的基本原理
1990年Datta 和Das 首次提出了利用电子自旋特性的新型电子器件———自旋场效应晶体管自旋场效应晶体管。基本结构如图1所示,这是一个类似三明治的结构,两边是铁磁性材料充当自旋相关载流子的源与漏,中间是由窄带半导体材料(InAlAs)和衬底(InGaAs)形成的二维电子气. 为了说明这个器件的工作原理,我们可以通过电光效应来作类比阐述. 图2是电光效应的光学调制器的示意图.光束通过左边的起偏器后,入射光就变成了沿与y 轴成45°角偏振的线偏振光,它可表示成沿y 轴偏振的线偏振光与沿z 轴偏振的线偏振光的线性组合. 当此偏振光通过光电材料时,因为电光效应使介电常数εyy 和εzz 变得稍有所不同,这两种偏振成分将经历不同的相位移动k1 L 与k2 L,这里的k1 和k2 分别是光沿y 方向和z 方向的波矢,因此出射光的极化状态就可以表示为(12,ik L ik L e e ) ;而输出端处的检偏器只让沿(1,1)的成分通过,于是出射光强P0 可由下式给出
)(1222120()11(,)4cos 2
ik L ik L T k k L P e e -∝= （1） 因此出射光强就可以通过门电压控制相移差12()k k L θ∆=-来调节。
如图1所示,在自旋场效应晶体管中,极化器和分析器可由铁磁材料实现. 铁磁材料的费米能处一种自旋电子的态密度远远超过另一种自旋电子的态密度,所以铁磁电极优先注入和探测一种自旋电子. 实验上已证明利用坡莫合金电极可使自旋流极化率高50%. 沿+x 方向磁化的电极优先发射和探测自旋沿+x 方向的电子,根据量子力学,它可表示成自旋沿+z 方向的电子态与自旋沿- z 方向的电子态的线性组合,即
（2） 如果有一种与电光材料类似的材料,它能在自旋沿+z 方向的电子与自旋沿- z 方向的电子之间产生不同的相移,并且相移差可由门电压控制,那么就能实现电流的调制; 窄禁带半导体(如InGaAs) 正好能提供这种功能. 理论和实验都已证实在窄禁带半导体的二维电子气中零磁场下自旋向上与自旋向下的电子间有能量劈裂,这种零场自旋劈裂的主要机制是有效质量哈密顿量中的自旋轨道互作用的Rashba 项为
()R z x x z H k k ησσ=- （3）
这一项起源于异质结界面处的垂直电场,这里的η是自旋轨道互作用的强度系数. 其他机制(如体反演不对称项)也会对零场自旋劈裂有贡献,但在窄禁带半导体中通常很小,因此可忽略. 容易看到Rashba 项引起了相同能量的自旋沿+z 方向的电子与自旋沿- z 方向的电子有不同的波矢k1 和k2 . 考虑一个沿+x 方向运动的具有kz =0, kx ≠0的电子,那么Rashba 项HR 等于ησzkx. 这使自旋沿+z 方向电子的能量提高了ηkx ,而使自旋沿- z 方向电子的能量降低了相同的值,所以有
2211 ()2x x ћk E z k m η*
+=- （4）
2222 ()2x x ћk E z k m η*
-=+ （5） 显然在自旋沿+z 方向和自旋沿- z 方向的电子间产生了正比于自旋轨道耦合系数的相移差
122 2ћm k k η
*-= （6）
一个显然的问题是η是否足够大以使得在一个平均自由程中能达到π的相移差, 对InGaAs/InAlAs 异质结,从实验上观察到的零场自旋劈裂,可以估算出η大约为30×10- 12eV ·m,这给出L(Δθ=π) =0. 11μm;自旋轨道耦合常数η正比于异质结界面处电场的期望值,原则上可通过门电压加以控制. 使用铁磁电极作为极化器与分析器、以及使用窄禁带半导体在两种自旋电子之间引入可由门电压控制的相移差,从而实现与光调制器类似的基于电子波的电流调制的器件。
自旋场效应晶体管的提出是自旋电子学中最有影响的概念之一。它是借助于自旋轨道相互作用的完全电学操控自旋动力学的方案,而传统方案是通过外加磁场来控制自旋。 众所周知,在非常小的体积和非常短的时间尺度中产生及控制电场远比控制磁场容易,因此全电学方案为有效的自旋局域操作和利用现成的传统高速数字电子线路的集成技术提供了可能。 在设想的自旋场效应晶体管器件中,当自旋(方向指向输运方向)从源极注入半导体量子线时,由于受到门电压调节的Rashba 自旋轨道互作用(起源于异质结的结构反演不对称性) ,它就在这非磁区域中以一种被控制的方式进动,最后以一定的概率(依赖于进动的角度)进入漏极，于是这种含极化器和分析器的电学方案将能调节自旋极化的源漏极电流。
自旋场效应晶体管的研究现状和存在的问题
自旋场效应晶体管自提出后引起了人们的极大兴趣,很多研究小组对此进行了研究。尽管自旋电子学的前景诱人,但是基于自旋的电子器件真正走向实用还面临一些困难:
(1) 要有足够的自旋注入效率. 因为高自旋注入效率才是基于自旋的半导体电子器件走向应用的前提. 实验上发现铁磁金属通过欧姆接触注入到半导体后其自旋极化率一般只有0. 1%～1%. G . Schmidt 等人指出从铁磁金属到半导体之所
