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——自旋电子学及其在半导体中的应用第1页共10页自旋电子学及其在半导体中的应用摘要：自旋电子学主要研究电子自旋在固体物理中的作用，是一门结合磁学与微电子学的新兴交叉学科。其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。本文简单介绍了自旋电子学的概念及其内容综述了自旋电子学目前的研究，尤其是半导体自旋电子学，集中讨论了使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，最后对自旋电子器件的应用进行了展望。关键词：自旋电子学自旋阀磁隧道结半导体自旋电子学一．名词解释1.自旋电子学[1](spintronics)也称为磁电子学，是一门磁学和微电子学相交叉的新兴的学科，它研究具有某一自旋状态(自旋向上或自旋向下)的电子的输运特性，是当前凝聚态物理的热点领域之一。众所周知，电子除了带有电荷的特性外，还具有自旋的内禀特性，对于普通金属和半导体，自旋向上和自旋向下的电子在数量上是一样的，所以传统的金属电子论往往忽略电子的自旋自由度。2.半导体自旋电子学[2]电子同时具有电荷和自旋两种属性，电子的电荷属性在半导体材料中获得极大的应用，推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。使电子的自旋特性在半导体中获得应用，在半导体器件中实现自旋极化、注入、传送、操作和检测，成为人们最关注的问题。最初人们企图用铁磁金属与半导体材料直接欧姆接触，把极化自旋流注入到半导体材料中去，但是由于肖特基势垒太高，注入效率极低。为了克服肖特基势垒，只有两个办法：寻找磁性半导体材料或利用隧道效应。二．自旋电子学的起源1857年Thomson发现了在多晶结构的Fe中，具有各向异性磁电阻效应[3](anisotropymagnetore．sistance，AMR)，而传统的微电子学的研究对象是普通金属和半导体，所以在研究电子的输运过程中，往往忽略电子的自旋。20世纪50年代人们在研究超导体时，将电子的自旋引入，认为参与超导输运的准粒——自旋电子学及其在半导体中的应用第2页共10页子是费米面附近两个自旋相反，动量也相反的电子所组成的库柏对，建立了著名的BCS理论，但是BCS理论虽然将电子的自旋自由度引入到输运过程中，但是在库柏对中，电子是成对出现的，并没有去严格区分两种不同自旋的电子在输运中的差别。在20世纪80年代，1986年，德国的Grtinberg等人在研究Fe/Cr/Fe薄膜中自旋波的光散射时，发现随着Cr的厚度改变，Fe/Cr/Fe中两个Fe层存在反铁磁耦合控[4]。随后在法国工作的Baibich等人用分子束外延的方法制备了Fe/Cr多层膜并研究其电阻特性[5]。当cr的厚度为0.9nm时，他们发现在T=4.2K温度下，薄膜的电阻值随外加磁场的增加而减小，当外磁场大于2T后，其电阻值几乎只有原来未加磁场时的一半，这种磁电阻效应可以用自旋相关散射和双电流模型来解释。考虑到两个不同自旋取向的电子在界面处所受到的散射是不同的，假设当自旋取向与铁磁层的磁化方向相同时，电子所受到的散射较小，而另一种自旋取向的电子所受到的散射较大；那么在Fe/Cr多层膜中，当存在反铁磁耦合时，相邻Fe层的磁化方向是反平行的，这样两个自旋取向的电子所受到的散射都较大，所以系统处于高电阻状态当外磁场较大时，所有Fe层的磁化方向将转到外场的方向，这时有一种自旋取向的电子所受到散射很小，而另一种电子所受到的散射很大，系统总的电阻可以看成这两种电子电阻的并联，因而系统处于低电阻状态。图1：系统处于两种不同阻态时的磁化散射由于Fe／Cr多层膜中的这种磁电阻效应很大，比一般的铁磁金属的各向异性磁电阻大1个数量级，所以人们把这种效应叫做巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance，GMR)。巨磁电阻效应的发现，是自旋电子学发展史上的里程碑。——自旋电子学及其在半导体中的应用第3页共10页三．国内外对自旋电子学的研究现状及研究方向3.1国内外的研究现状3.1.1国内研究现状1998年，国家自然科学基金委员会设立了“巨磁电阻物理、材料研究及其在信息技术中应用”重大项目[6]。2001年，国家科技部在国家重点基础发展规划项目中设立了“自旋电子材料、物理以及器件研制”项目[6]。3.2.2国外的研究现状1991年，B、Dieny利用反铁磁层交换耦合，提出了自旋阀结构J，并首先在(NiFe／Cu／NiFe／FeMn)自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。1995年，美国DARPA计划中设立了GMR合作计划，目的是探索将GMR器件应用到各种传感器和存储器等方面，最终目标是制造出大小为6.45cm2、读取时间小于100as的容量为16K的非丢失性的磁性随机存储器芯片。2000年，Chiba等利用Mn5.5％的GaAs稀磁半导体和作绝缘层的三明治结构的隧道结，获得磁电阻TMR在20K温度下为5.5％，居里温度为11OK。2001年，Tanaka等在隧道结中获得TMR值为70％，超过了氧化铝为绝缘层的FM/I/FM的TMR值，引起人们极大兴趣。2001年，Zhu等通过Fe膜与GaAs膜之间的隧道效应，把自旋电子注入到半导体中，通过电子发光的反转，获得室温下自旋有效注入为2％。Dijken等在GaAs半导体上制备了磁隧道结，得到集电极磁电阻变化的百分数，其中和分别为两个铁磁层磁化强度平行和反平行时的集电极电流。2004年，Yamanouchi等用做成特殊设计的结构，用自旋极化电流驱动磁畴壁，控制磁化强度反转，构成磁信息存储器件。3.2国内外的研究方向3.2.1GMR自旋阀[7]1988年GMR效应在Fe/Cr金属多层膜中的发现引起了各国科学家的注意，人们从理论和实验上对多层膜GMR效应展开了广泛而深入的研究。为了使GMR材料的饱和磁场(H)降低，人们除了采用降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等途径外，还提出了非耦合型夹层结构。1991年，B、Dieny利用反铁磁层交换耦合，提出了自旋阀结构，并首先在(NiFe/Cu/NiFe/FeMn)自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。——自旋电子学及其在半导体中的应用第4页共10页图2：自旋阀的结构示意图及磁滞回线曲线图在外磁场作用下的磁滞回线和磁电阻变化曲线图，自旋阀的基本结构为F/N/F:AF；两个铁磁层F和F*被较厚的非铁磁层N隔开，因而使F*与F问几乎没有交换耦合。F称为自由层，F*称为被钉扎层，其磁矩M被相邻反铁磁层AF的交换耦合引起的单向各向异性偏场所~T-J：L；当F*为优质软磁材料时，其M以在很弱的磁场作用下相对于F，改变方向，从而获得较大的GMR。这种非耦合型自旋阀具有如下优点：1)磁电阻变化率AR／R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，但较低的饱和场可以使磁场灵敏度高达1％Oe以上；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毫森效应，从而使信噪比大大提高，自旋阀中出现GMR效应必须满足这样的条件：①传导电子在铁磁层中或在E铁磁界面上的散射概率必须是自旋相关的；②传导电子可以来回穿过两铁磁层，并fll~i,B住自己的自旋取向，即自旋平均自由程大于隔离层厚度。3.2.2磁隧道结(TMJ)[8]磁隧道结通常是指由两层磁性金属(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)，其磁隧道结的结构示意图如下：——自旋电子学及其在半导体中的应用第5页共10页图3：磁隧道结的结构示意图通过绝缘层势垒的隧穿电子是自旋极化的，可以产生较大的磁电阻效应(TMR)。FM/I/FM隧道结最初是由Slonczewski于1975年提出来的。Julliere认为，在隧道结中，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入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。通常，TMR可以表示为：PPPPRRRRRTMRAPAA12112其中：RA和RP表示磁化反平行和平行时的磁电阻，P1和P2为两个铁磁电极的自旋极化率。可以看出，只有P1和P2均不为零才能在磁隧道结中观察到磁电阻效应；两个磁电极的自旋极化率越大，TMR值就越高。计算发现，在铁磁体和绝缘体的界面处因绝缘体势垒的有限高度而强烈影响隧穿电子的自旋方向。这表明，要得到大的TMR值，除了构成磁隧道结的网个铁磁电极中的磁化可以在外磁场作用下任意改变方向以及磁电极的自旋极化率尽可能大外，还要求中间氧化层势垒必须足够高。——自旋电子学及其在半导体中的应用第6页共10页四．研究的热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）如图所示。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。4.1自旋电子的注入[9]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。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：到目前为止，用欧姆注入法最好的报道为4.5%的自旋极化注入效率。近期有人从Fe（001）通过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）中，自旋电子在n-ZeSe层输送300nm后进入GaSa复合，在温度为20k，100k时测得电子的自旋极化率分别为55%和54%，GaSa中电子自旋极化率在20-100kv范围内与温度无关。从Fe薄膜经Al2O3遂穿势垒注入到si（001）中，在5k温度下si中电子自旋极化率下限为10%，估计值可达到30%，并且直到125k，si中的电子自旋极化率仍有较大值。4.2自旋流检测目前，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谱测量光的偏振度的偏振度，来确定电子的极化率。研究证明，光学方法最大的优点就是能在铁磁隧道避免其他电学效应的影响。电学检测方法[11]又分为隧道结点法、点接触法、Tedrow-Meserey实验法、Andreev反射法，但是电学法采用了与被测材料直接接触的结构，其界面存在较严重的自旋散射，还存在电导率的不匹配问题，自旋极化电子的弛豫以及Hall——自旋电子学及其在半导体中的应用第7页共10页效应的干扰都是此方法的难点，最近，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，比如实验中在室温下成功通过测量自旋流对Ni8iFeI9薄层自旋弛豫的调制实现了在不需要材料微观参数的情况下对自旋流的测量。4.3自旋霍尔效应在外加电场下，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，这就是自旋霍