20.几种简单自旋器件

利用电子的自旋特征来制造速度快、耗能少、体积小、记忆长的电子器件，这是自旋电子学的目标。实际上，在前面的章节中介绍过的用GMR或TMR原理的硬盘读出磁头，以及上一节的STT-MRAM，都是这类利用了电子自旋特征的磁电子器件。这些磁电子器件中的关键部分是磁隧道结（MTJ）。

下面再简介几种自旋半导体器件。

1）自旋过滤器

利用第18节中所介绍的半金属的特性，理论上很容易就想到，可以用它来做成电子自旋的过滤器。就像农民用来筛选种子的筛子一样，自旋过滤器只让某种自旋方向的电子通过。

图20.1：利用半金属的自旋滤波器

图20.1显示一种利用半金属的自旋滤波器。它由一片半金属的薄膜层夹在两片普通金属薄膜层之间而构成。我们可以从这三片不同材料的不同能带结构来解释它的工作原理。

从图20.1b中三层材料的能带图可以看出：在费米能级附近，两端的非磁性金属对上自旋电子和下自旋电子没有区别。因此，当非极化的电子流穿过左边的金属层后，有相同数目的上自旋电子和下自旋电子进入到中间的半金属薄膜中。但是，从半金属的电子能带结构的观点看，这种材料对（上）自旋电子来说是金属，对（下）自旋的电子来说却是绝缘体。因此，中间层只能允许上自旋电子通过，下自旋电子则被反射回去。所以，在右边的非磁性金属的电流中，只有上自旋的电子，最后，我们便得到了百分之百极化的上自旋电流。

2）自旋场效应管

图20.2：自旋场效应管与传统场效应管之比较

图20.2对自旋场效应管与传统场效应管作了一个简单的比较。图a是传统FET用作开关的简单原理示意图。这种晶体管利用栅极势垒的‘有’或‘无’，来控制从源极到漏极的电流（电子），实现对电流的‘关’和‘开’的作用。当栅极部分存在一个势垒时，电子很难通过，FET处于关闭的状态；而当栅极部分势垒消失的时候，电流容易通过，电路开启。这两种状态（关、开）分别对应于图a中的上图和下图。因此，传统FET的开关速度和耗能多少由栅极建立（和消灭）势垒的速度及所需功耗所决定^【1】。

栅极的控制势垒如果太低太窄，就会加大漏电流而使得开关状态不易区分。要形成可靠的、一定高度和宽度的势垒，则需要较大的能量。并且，势垒的建立和消失都需要时间，反复地建立和消失更会影响晶体管开关的速度。图20.2b中使用的自旋FET则利用不同的原理。自旋FET的栅极势垒曲线是固定的，只是因电子自旋方向的不同而一分为二：对上自旋电子，势垒总是存在（图中的虚线）；对下自旋电子，势垒总是为0（实线）。换言之，这种FET阻止上自旋电子，只能让下自旋电子通过。因为它的势垒固定，不需要花费能量和时间来加以改变。栅极的控制作用则通过翻转入射电流中电子的自旋方向来实现。比较起建立电场势垒来说，这种翻转只需要很少的能量并且速度快得多。

3）Datta-Das自旋场效应管

第一个自旋FET的构想是1990年由Datta和A.Das提出来的^【2】。其基本结构及原理见图20.3。两边的铁磁电极（S和D）取相同的、固定的极化方向，中间是由半导体掺杂异质结形成的二维电子气通道（红色）。图20.3b说明Datta-Das FET的工作原理：电子从源极注入，其自旋极化方向与两边磁性金属的极化方向一致。然后，控制栅极的电场大小可以使沟道中的极化电子自旋取向发生进动和翻转。

图20.3：Datta-Das自旋场效应管（a）结构（b）原理

图20.3b中上面一条所显示的是FET处于‘开通’状态时的情形。这时栅极电压被调节到不影响电子的运动。电子因为极化方向与两边铁磁体磁化方向一致而形成较大的电流，晶体管为‘开启’状态。

图20.3b中下面一条所显示的是FET处于‘关闭’状态时的情形。这时候，电子自旋的极化方向受栅极电场的影响而产生进动。调节栅极的电场，可刚好使得电子到达漏极时自旋方向翻转而与漏极磁化方向相反。如此一来，电子被漏极阻挡而不能通过，FET成‘关闭’态。

Datta-Das自旋场效应管提出20多年后，2010年底，美国得克萨斯A&M大学物理学家杰罗·斯纳夫（Jairo Sinova）领导的一个国际科研小组在《科学》杂志上发表文章^【3，4】，宣布他们研制出了首个能在高温下工作的自旋场效应晶体管。他们将自旋态和异常霍尔效应结合在一起而制成该器件。演示线路中包含了一个与门逻辑设备。

4）自旋激光器

现在正流行三维电视，为了提高3D图像的分辨率，需要从一个光源发射出两个正交偏振的激光。自旋激光器便可以方便地提供这个功能。

图20.4：自旋激光

图20.4是一种垂直腔面发射自旋激光器^【5，6】（VCSEL）的几何结构及工作特点示意图。

图a显示了自旋激光器的结构。激光谐振腔由上下一对平行的，高反射率的分布式布拉格反射镜（DBR，图中的黑白条纹区域）形成。激发电子从左右两端注入。两端的两个磁性触点分别用来实现注入电子为‘上自旋’或‘下自旋’。右侧的电压V用以控制上下自旋电子的比例，从而控制整个注入电流的极化率P_j。

这种利用自旋的激光器比较传统激光器而言，有如下三个不同之处：

第一个特点是显然的：其注入的电子流是自旋极化的：P_j不等于0。激发电子的自旋极性，以角动量的形式转移到出射的激光束。因而，一般来说，发出的激光是两个方向极化的圆偏振光的组合，这是自旋激光器的第二个特点。第三个不同之处是关于激光的阀值。传统激光因为未考虑自旋，只有一个阀值，如图20.4b所示，普通激光的光强随电流变化曲线上有一个转折点（阀值，图中为1）。这个转折点将激光器的工作区域分成两部分：当电流小于阀值时为关闭状态，激光强度为0；当电流大于阀值时则有激光发射。

对自旋激光器来说，则有两个独立的电流阀值，分别对应于上自旋流和下自旋流。两个阀值便将工作区间分成了三个部分，界定了三种运行模式：关闭、完全极化、混合极化。例如，图20.4c所显示的是，当极化率P_j等于0.5时，自旋激光器发射的光强vs电流的曲线。从图中可看出三个不同的区域。有趣的是，在第二个区域，我们得到全偏振光，虽然这种情况时，注入电子并不是百分之百极化的（P_j=0.5）。这样，也可以将自旋激光器看作是一种‘极化放大器’。在上述例子中，便是将‘部分极化’放大成了‘完全极化’：0.5->1.0。

除了3D电视之外，自旋激光器还可用于光通信中，对这种激光器发出的激光，除了传统的调制方法之外，还可以很方便地进行偏振调制（PM）。

参考资料：

【1】“Performance of a spin-based insulated gate field effect transistor”, K.C. Hall and M. E. Flatt′e, Appl. Phys. Lett. 88, 162503 (2006).

【2】Datta, S and B. Das (1990). "Electronic analog of the electroopticmodulator". Applied Physics Letters 56: 665–667.

【3】Wunderlich, J. et al. “Spin Hall EffectTransistor”，Science 24 December 2010:Vol. 330 no. 6012 pp. 1801-1804

【4】“Performance of a spin-based insulated gate field effect transistor”, K.C. Hall and M. E. Flatt′e, Appl. Phys. Lett. 88, 162503 (2006).

【5】“Spintronics stretches its arms to lasers”Jeongsu Lee and Igor Žutić，2 October 2012, SPIE Newsroom. DOI:10.1117/2.1201209.004437

http://spie.org/x90592.xml

【6】G. Boéris, J. Lee, K. Vyborny, I. Žutić, Tailoring chirp in spin-lasers,Appl. Phys. Lett. 100, p. 121111, 2012. doi:10.1063/1.3693168

图20.docx

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