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首次实现氮化物半导体二维电子气中自旋的电学注入

2021-10-08

随着信息技术逐步迈向后摩尔时代,基于半导体中的电子自旋自由度发展新一代高速低功耗信息处理器件的自旋电子学受到高度关注。以氮化物半导体为代表的宽禁带半导体具有较长的自旋弛豫时间和电场可调控的自旋轨道耦合效应,在发展室温自旋电子器件方面具有一定的优势。目前基于氮化物半导体二维电子气(2DEG)的射频和功率电子器件在国家战略需求的多个应用领域已取得了巨大成功,若能利用氮化物半导体2DEG发展自旋电子器件,将为自旋电子学研究向氮化物宽禁带半导体的拓展开辟先河,并有望提升自旋电子器件的性能。

利用电学方法实现向半导体中的自旋注入是构造自旋电子器件的核心环节之"一,然而要在氮化物半导体2DEG中达到这个目标却面临很大的困难。一方面,界面电导失配在宽禁带半导体中尤为显著,限制了自旋注入的效率;另一方面,在传统的AlGaN/GaN异质结构中,只有较厚AlGaN势垒层的量子限制才能形成2DEG,这将导致注入的自旋信号在势垒层中快速弛豫。因此,目前国际上仍没有实现氮化物半导体2DEG中自旋的电学注入。

北京大学和中科院物理所、法国Institute Jean Lamour研究团队合作,创新地采用超薄AlN层同时作为限制2DEG的势垒层和自旋注入的隧穿层,进行AlN/GaN异质结构中2DEG自旋的电学注入。一方面,超薄AlN势垒层的强量子限制形成了超高浓度、高迁移率的2DEG;另一方面,可利用AlN作为隧穿层解决电导失配问题,直接生长铁磁金属形成自旋隧穿结构。利用磁输运测量观测到自旋信号的Hanle效应,首次实现了氮化物半导体异质结构中2DEG自旋的电学注入。通过自旋注入信号随偏压和温度的变化关系,证实其自旋驰豫机制是Rashba自旋轨道耦合主导的D’yakonov Perel’自旋驰豫机制。该工作为宽禁带半导体自旋场效应晶体管等自旋电子器件的研制奠定了科学基础。

图1. 自旋注入结构示意图。

图2. 自旋信号的Hanle效应。

相关研究成果以“Electrical Spin Injection into the 2D Electron Gas in AlN/GaN Heterostructures with Ultrathin AlN Tunnel Barrier”为题发表在 [Advanced Functional Materials, 31, 2009771 (2021)]上。北京大学博士生张晓玥为第一作者,唐宁研究员和沈波教授为共同通讯作者。

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