[实用新型]一种自旋光电子器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种半导体光电子技术领域，具体是一种基于耦合半导体量子阱和量子点的自旋光电子器件。

背景技术

半导体量子点中载流子因受到三维量子限制而处于分立的量子能级上,使得Elliott-Yafet和D’yakonov-Perel自旋弛豫过程受到抑制,因此半导体量子点作为高效的信息载体广泛应用于自旋光电子器件和量子信息处理中。基于半导体量子点材料的自旋光电子器件其自旋注入的过程为：首先通过磁性电极材料产生自旋极化的电子或空穴；然后对含有半导体量子点材料的有源区施加偏压，将自旋极化的电子或空穴注入到半导体量子点层中；最后根据这些自旋极化载流子的辐射复合产生的圆偏振光的特征来检测自旋信息。在这一过程中通常采用稀磁半导体（GaMnAs，ZnMnSe和CdCr₂Se₄等）、磁性金属（Fe,Co和Ni及其合金）或者磁性半金属合金（Co_2.4Mn_1.6Ga，Co₂MnGe和Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al等合金）等材料作为磁性电极，在自旋发光二极管和激光器以及量子信息存储元件中实现自旋的注入以及自旋信息的编码、存储与读取。

专利公开号为CN102136535A，名称为“一种高级化度自旋注入与检测结构”的专利申请所公开的技术方案便是采用了一种Co₂FeAl的磁性半金属合金材料作为磁性电极材料的。众所周知稀磁半导体和磁性半金属合金在接近绝对零度情况下，可以产生100%的初始自旋极化率，但是由于二者的居里温度很低，其自旋极化率会随着温度升高而急剧下降甚至消失，难以在常温下应用。

使用Fe,Co和Ni及其合金等磁性金属材料作为磁性电极，其产生的初始自旋极化率在33%-51%之间，它们的居里温度远高于室温，制作工艺简单，因此很适合作为自旋光电子器件的磁性电极。但是由于磁性金属材料和半导体材料的电导率极不匹配，从磁性金属材料直接向半导体材料中自旋注入的效率很低，一般会低于0.1%。因此急需一种技术方案可以解决磁性金属材料和半导体材料之间因为电导率不匹配而引起的自旋注入效率低的问题。

同时在自旋注入过程中要提高自旋注入效率还需降低自旋损失，我们知道在磁性电极向半导体材料自旋注入的过程中需要通过磁性电极产生自旋极化载流子，所述自旋极化载流子在注入到半导体量子点层的传输过程中要经历电极层到n型接触层的界面散射、势垒层到量子阱层或量子点层能级的能量弛豫过程以及量子阱层或量子点层结构反演对称性相关的自旋弛豫过程，整个传输过程中会产生一定程度的自旋损失。由于自旋注入的低效率和自旋损失的影响使得目前基于Fe/AlGaAs磁性金属-半导体（M-S）肖特基结的InGaAs/GaAs量子点自旋发光二极管在室温下的电致发光的圆偏振度仅为5%，难以实现高效率的自旋注入和自旋信息的编码、存储与读取。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术中因为磁性金属材料和半导体材料的电导率失配而引起的自旋注入效率低和能量弛豫导致的自旋损失严重的问题，从而提出一种基于磁性金属-半导体（M-S）肖特基结或者磁性金属-氧化物-半导体（M-O-S）隧道结以及耦合半导体量子阱和量子点共振-隧穿效应的自旋光电子器件。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种自旋光电子器件，在衬底层上依次生长有p型缓冲层、阻挡层、第一势垒层、耦合量子阱和量子点结构、第二势垒层、n型接触层以及电极层，所述n型接触层与所述电极层形成自旋注入结构。

上述的自旋光电子器件，所述耦合量子阱和量子点结构沿生长方向依次为：量子点层、间隔层和量子阱层；其中所述量子点层的晶格常数大于所述p型缓冲层和所述间隔层的晶格常数，所述量子阱层和所述量子点层的禁带宽度小于所述p型缓冲层、阻挡层、第一势垒层、第二势垒层和n型接触层的禁带宽度；所述量子阱层的禁带宽度大于所述量子点层的禁带宽度，且量子阱层中电子基态能级与量子点层中电子激发态能级接近或相等，形成共振。

上述的自旋光电子器件，所述电极层沿生长方向依次包括磁性金属层、惰性金属保护层以及上电极材料层，所述自旋注入结构为所述n型接触层与所述磁性金属层形成的磁性金属-半导体（M-S）肖特基结，所述n型接触层中施主浓度从10¹⁶cm^-3指数型增加到10¹⁹cm^-3。