[发明专利]GaN基自旋发光器件及其制备方法

权利要求书

1.一种GaN基自旋发光器件，其特征在于，包括由上至下层叠设置的金属基板、GaN基量子发光结构、绝缘隧穿层、铁磁金属层和金属保护层，所述GaN基量子发光结构包括沿所述金属基板表面依次层叠设置的电子阻挡层、空穴传输层、辐射复合层和电子传输层；所述绝缘隧穿层和铁磁金属层之间或者所述GaN基量子发光结构和绝缘隧穿层之间设有二维材料插入层。

2.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光器件，其特征在于，所述二维材料插入层为1～3层的石墨烯。

3.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光器件，其特征在于，所述电子传输层为n型GaN；所述辐射复合层为具有若干个周期的In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN量子阱结构；所述空穴传输层为p型GaN；所述电子阻挡层为重掺杂p++型GaN。

4.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光器件，其特征在于，所述绝缘隧穿层为厚度为1～2nm的MgO，所述铁磁金属层为厚度为20～30nm的CoFeB或NiFe。

5.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光器件，其特征在于，所述金属保护层为厚度为10～20nm的Ru。

6.根据权利要求1所述的GaN基自旋发光器件，其特征在于，所述金属基板为铜。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的GaN基自旋发光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上依次生长GaN缓冲层、电子传输层、辐射复合层、空穴传输层和电子阻挡层；

2)于所述电子阻挡层上键合金属基板，并将所述蓝宝石衬底剥离，裸露出所述GaN缓冲层；

3)采用电感耦合等离子刻蚀技术对所述GaN缓冲层和电子传输层进行减薄，得到GaN基量子发光结构；

4)于所述GaN基量子发光结构表面制作绝缘隧穿层、二维材料插入层、铁磁金属层和金属保护层，以形成隧道结和自旋注入电极，其中，所述绝缘隧穿层、铁磁金属层和金属保护层采用磁控溅射工艺制备而成，所述铁磁金属层位于所述绝缘隧穿层上方，所述金属保护层位于所述铁磁金属层上方；采用机械剥离工艺结合无掩膜激光直写技术制备得到的从光刻胶中裸露出具有电极图案的所述二维材料插入层，所述二维材料插入层位于所述绝缘隧穿层和铁磁金属层之间或者所述GaN基量子发光结构和绝缘隧穿层之间；

5)剥离剩余的光刻胶，得到具有电极图案的隧道结和自旋注入电极。

8.根据权利要求7所述的GaN基自旋发光器件的制备方法，其特征在于，所述二维材料插入层为1～3层的石墨烯。

9.根据权利要求8所述的GaN基自旋发光器件的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

将石墨烯块体薄片置于透明胶带上进行反复黏贴剥离，得到石墨烯层状薄片；

将所述石墨烯层状薄片转移至所述GaN基量子发光结构表面，采用无掩膜激光直写技术制备形成具有电极形状的二维材料插入层；

在所述二维材料插入层上采用射频溅射工艺生长1～2nm的绝缘隧穿层，靶材为MgO，生长压强为0.5Pa，工作气体为氩气；

在所述绝缘隧穿层上采用直流溅射工艺生长20～30nm的铁磁金属层以及10～20nm的金属保护层，靶材分别为CoFeB和Ru，生长压强分别为0.5Pa和0.6Pa，工作气体为氩气。

10.根据权利要求8所述的GaN基自旋发光器件的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

于所述GaN基量子发光结构表面采用射频溅射工艺生长1～2nm的绝缘隧穿层，靶材为MgO，生长压强为0.5Pa，工作气体为氩气；

将石墨烯块体薄片置于透明胶带上进行反复黏贴剥离，得到石墨烯层状薄片；

将所述石墨烯层状薄片转移至所述绝缘隧穿层表面，采用无掩膜激光直写技术制备形成具有电极形状的二维材料插入层；

在所述二维材料插入层上采用直流溅射工艺生长20～30nm的铁磁金属层以及10～20nm的金属保护层，靶材分别为CoFeB和Ru，生长压强分别为0.5Pa和0.6Pa，工作气体为氩气。