自旋場效應(yīng)管是什么？特性原理科普-KIA MOS管

自旋場效應(yīng)管解析

自旋場效應(yīng)管（Spin-FET）， 也稱為自旋偏振（極化）半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，這是一種半導(dǎo)體自旋電子器件。

工作原理

自旋FET是1990年由Datta和A.Das提出來的。其基本結(jié)構(gòu)見圖示，參與導(dǎo)電的是InAlAs/InGaAs異質(zhì)結(jié)形成的高遷移率二維電子氣（2-DEG）；鐵磁電極S和D具有相同的極化方向（即其中電子自旋的取向相同），以注入和收集自旋極化的電子；

柵極電場使溝道中高速運(yùn)動的電子的自旋發(fā)生進(jìn)動或轉(zhuǎn)動，當(dāng)自旋變成反平行時即被D極排斥而不導(dǎo)電——D極排斥作用的強(qiáng)弱決定于自旋進(jìn)動的程度，從而S-D電流受到柵電壓的控制。

基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，這是一個類似三明治的結(jié)構(gòu)，兩邊是鐵磁性材料充當(dāng)自旋相關(guān)載流子的源與漏，中間是由窄帶半導(dǎo)體材料(InA1As)和襯底(InGaAs)形成的二維電子氣。

為了說明這個器件的工作原理，我們可以通過電光效應(yīng)來作類比闡述。圖2是電光效應(yīng)的光學(xué)調(diào)制器的示意圖。

光束通過左邊的起偏器后，入射光就變成了沿與y軸成45°角偏振的線偏振光，它可表示成沿y軸偏振的線偏振光與沿z軸偏振的線偏振光的線性組合。

應(yīng)用

1.因?yàn)樽孕鼺ET是通過自旋的翻轉(zhuǎn)來控制電流的，所以這種工作方法所需要的能量很低，而且速度也很快（比普通FET通過驅(qū)趕[耗盡]電子的方法要快得多）。

2.這種自旋FET結(jié)構(gòu)促進(jìn)了自旋電子器件的半導(dǎo)體化，從而可利用先進(jìn)的微電子工藝技術(shù)、可融合自旋電子器件與光電子器件以及發(fā)展出新型的光學(xué)器件（如超快速開關(guān), 可編程的全自旋電子型微處理器）；并且最終可望把邏輯、存儲和通信等功能融合在一塊芯片上, 成為新型的多功能電子器件。

3.發(fā)展半導(dǎo)體自旋電子器件可能是開發(fā)量子計(jì)算機(jī)等量子信息機(jī)器的切實(shí)可行的途徑，因?yàn)榱?/span>子位是相干疊加狀態(tài), 自旋電子量子位（自旋向上和自旋向下的態(tài)的疊加狀態(tài)）比起基于電子電荷的量子位, 在相干性(維持相干疊加狀態(tài)的能力)上可獲得較長的相干時間（由于自旋之間的作用力很弱, 而且是短程力），并且采用n-型半導(dǎo)體可排除空穴自旋的不良影響。

電導(dǎo)特性

自旋場效應(yīng)管中的電導(dǎo)特性與自旋軌道耦合強(qiáng)度、界面勢壘高度以及鐵磁源極與漏極的自旋極化率都有依賴關(guān)系。在考慮Dresselhaus效應(yīng)以后，通過研究表明，在界面勢壘稍高的自旋場效應(yīng)晶體管中電導(dǎo)表現(xiàn)出開關(guān)效應(yīng)。

而且此開關(guān)效應(yīng)既不需要鐵磁源、漏極，也不需要自旋極化的注入。它在很大的程度上依賴于準(zhǔn)一維電子氣通道中的相干彈道型輸運(yùn)。

實(shí)際上可以通過調(diào)節(jié)劈裂門電壓來改變Dresselhaus自旋軌道耦合強(qiáng)度從而可對自旋場效應(yīng)晶體管進(jìn)行開和關(guān)操作。另一方面，在近似歐姆接觸的自旋場效應(yīng)晶體管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋進(jìn)動的顯著的電導(dǎo)調(diào)制。

這個工作已經(jīng)發(fā)表在美國的《應(yīng)用物理快報(bào)》上。如果在自旋場效應(yīng)管中加入磁場，電導(dǎo)隨磁場的變化也表現(xiàn)出很好的磁開關(guān)效應(yīng)。

研究還表明，自旋場效應(yīng)管的電導(dǎo)隨中間層半導(dǎo)體的厚度和兩邊鐵磁的磁化方向變化而呈現(xiàn)出明顯的量子振蕩效應(yīng)，而且鐵磁和半導(dǎo)體價帶間的匹配性等對電導(dǎo)也有較大影響。

實(shí)現(xiàn)自旋FET的困難

1.如何將自旋電流從鐵磁電極S高效率地注入半導(dǎo)體？

——這可利用“磁性半導(dǎo)體”來實(shí)現(xiàn)，這種半導(dǎo)體可通過較低電壓來控制它在非磁狀態(tài)和鐵磁狀態(tài)這兩種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換（自旋開關(guān)），并且可用作為自旋過濾器（讓一種自旋狀態(tài)通過, 阻止另一種自旋狀態(tài)通過）。但是磁性半導(dǎo)體的制備尚不成熟。

2.半導(dǎo)體自旋電子器件對磁性半導(dǎo)體的基本要求是：電子的自旋極化狀態(tài)在穿越半導(dǎo)體或進(jìn)入另一種材料時, 要能很好地保持不變, 即自旋極化喪失的速度要慢, 自旋電流的極化要能長時間維持——自旋相干時間要長。

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