一种光学自旋注入结构及注入方法

摘要

本发明提供一种光学自旋注入结构及注入方法，其中的光学自旋注入结构包括衬底层和在所述衬底层上依次生长的缓冲层、共振隧穿结构层以及帽层；所述共振隧穿结构层沿生长方向依次为设置的：量子阱层、间隔层、量子点层；或者量子点层、间隔层、量子阱层；其中所述量子点层的晶格常数大于所述缓冲层、所述间隔层和所述帽层的晶格常数。采用这种共振隧穿结构通过半导体量子点层与量子阱层的耦合-隧穿效应，解决了现有技术中势垒层材料中初始自旋极化率低与能量弛豫引起的自旋损失高的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体应用技术领域，具体是一种基于隧穿效应的光学自旋注入结构及注入方法。

背景技术

随着现代信息技术的发展，器件尺寸越来越小，量子效应变得越来越显著，摩尔定律受到了极大的挑战。自旋电子学是探索在器件中利用电子的自旋属性同时进行信息的处理和存储。传统的电子学器件电荷的相互作用能在电子伏量级，而自旋的相互作用能为毫电子伏量级，因此自旋器件比传统器件具有更低的功耗。以III-V族化合物半导体材料制备而成的自旋器件可以跟传统半导体工艺衔接，无需重新铺设生产线，因此是研究的热点。

目前半导体量子点中自旋注入方法基本分为两类:

电学注入法：通过磁性电极材料电学注入自旋极化的载流子。

光学注入法：通过左旋或者右旋偏振激光在势垒层、浸润层或者量子点中产生自旋极化的载流子或者激子。

由于势垒层体积远大于浸润层和量子点体积，因此现有的光学注入法中，通常激发势垒层产生充足的自旋极化的载流子或激子，这些自旋极化的载流子或激子在经历声子辅助的能量弛豫后转移到量子点中。但是势垒层中的重空穴和轻空穴能级简并，载流子的极化率受到光学选择定则限制，最高只能达到50%，而且极化载流子在从势垒层向量子点转移过程中也会产生明显的自旋弛豫，因此从量子点光致发光谱中可探测到的自旋极化率一般低于35%。

现有专利文献CN101562213A公开了一种光学自旋注入方法，其结构如图1所示。包括衬底，以及在衬底层上依次生长的缓冲层、有源层、共振隧穿结构、光吸收层、电子阻挡层、重掺杂层。该技术方案中的光吸收层的厚度要足够厚，这样才能通过光学吸收积累起数量的自旋极化的电子，自旋取向不同的电子的准费米面能够分的比较开，保证同量子阱共振时只有一种自旋取向的电子可以共振隧穿出去，提高隧穿到有源区的电子的自旋极化度。由于在半导体量子点及其浸润层或者量子阱中，重空穴和轻空穴能级简并解除，载流子的极化率最高可达到100%，而且因声子辅助能量弛豫引起的自旋损失也减小，因此可以在量子阱和量子点中产生高效率的自旋注入。但是Stranski-Krastanov(S-K)生长模式形成的半导体量子点及其浸润层的体积都很小，共振激发所产生的极化载流子或激子数量严重不足，由此会导致自旋偏振光信号微弱，而且势垒层中光激发产生的载流子或激子的初始极化率低于50%，因此需要一种方法在半导体量子点中产生高效率地注入自旋。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中的光学自旋注入结构和注入方法，势垒层自旋极化率低和半导体量子点、浸润层产生的极化载流子或激子数量不足，从而提供一种光学自旋注入结构及注入方法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下方案：

本发明提供一种光学自旋注入结构，包括衬底层和在所述衬底层上依次生长的缓冲层、共振隧穿结构层以及帽层；所述共振隧穿结构层沿生长方向依次为：量子阱层、间隔层、量子点层；或者量子点层、间隔层、量子阱层；其中所述量子点层的晶格常数大于所述缓冲层、所述间隔层和所述帽层的晶格常数。

进一步地，所述量子点层为In_0.5Ga_0.5As量子点以Stranski-Krastanov的生长模式生长形成，厚度小于或等于20nm。

进一步地，所述量子点层的厚度为1.5-2.0nm。

进一步地，所述量子点层的厚度为1.8nm。

进一步地，所述量子阱层为In_0.1Ga_0.9As材料生长形成，厚度小于或等于100nm。

进一步地，所述量子阱层的厚度为20nm。

进一步地，所述缓冲层、所述间隔层和所述帽层的禁带宽度均大于所述In_0.5Ga_0.5As量子点的禁带宽度以及所述In_0.1Ga_0.9As材料的禁带宽度。

进一步地，所述间隔层的厚度为2-15nm。

进一步地，所述间隔层的厚度为2nm。

本发明还提供一种基于上述的光学自旋注入结构的光学自旋注入方法，包括如下步骤：

S1：采用圆偏振激光激发所述光学自旋注入结构中的量子阱层，产生自旋极化的载流子或激子；

S2：所述自旋极化的载流子或激子通过共振隧穿和能量弛豫进入量子点层的激发态能级和基态能级，并发生辐射复合形成圆偏振光。

进一步地，所述步骤S1中，所述激光为连续激光或脉冲激光，所述激光为左旋或者右旋的圆偏振光，且所述激光的波长为830-880nm。

进一步地，所述步骤S1中，所述激光在激发时的激光能量高于或等于量子阱层中的电子和空穴的基态能量的差值，同时低于所述缓冲层、所述间隔层和所述帽层的禁带宽度。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的光学自旋注入结构，其中的共振隧穿结构包括量子阱层、间隔层和量子点层。利用圆偏振激光在半导体量子阱中产生数量充足且自旋高度极化的载流子或激子，通过半导体量子点层与量子阱层的耦合-隧穿效应，超快、高效地向半导体量子点中注入自旋极化的载流子或激子，解决了现有技术中势垒层材料中初始自旋极化率低与能量弛豫引起的自旋损失严重的问题。

（2）本发明所述的光学自旋注入结构，所述量子点层为In₀.₅Ga₀.₅As量子点以Stranski-Krastanov的生长模式生长形成，厚度小于或等于20nm，所述量子阱层为In_0.1Ga_0.9As材料生长形成，厚度小于或等于100nm。并且，所述缓冲层、所述间隔层和所述帽层的禁带宽度均大于所述In_0.5Ga_0.5As量子点的禁带宽度以及所述In_0.1Ga_0.9As材料的禁带宽度。采用上述设置可以使In_0.1Ga_0.9As材料形成的量子阱中的载流子或激子的基态能级高于In_0.5Ga_0.5As材料形成的量子点中载流子或者激子的基态能级，并且量子阱中的载流子或激子可以与量子点的激发态能级形成电子耦合从而实现共振隧穿。

（3）本发明所述的光学自旋注入结构，所述间隔层为GaAs材料，其厚度为2-20nm，通过上述厚度设置能够保证量子阱层和量子点层之间有一定的间隔。另外，优选所述间隔层的厚度为2-15nm，在15nm以下时，能够保证量子阱层和量子点层之间的耦合强度及载流子或激子的隧穿几率，实现20ps以下的快速、高效的自旋注入。

（4）本发明所述的光学自旋注入方法，采用圆偏振激光激发所述光学自旋注入结构中的量子阱层，产生自旋极化的载流子或者激子，这些载流子或者激子通过共振隧穿和能量弛豫进入In_0.5Ga_0.5As量子点的激发态和基态能级并发生辐射复合形成圆偏振光。由于激发激光光子能量高于或等于量子阱层中的电子和空穴的基态能量的差值，同时低于所述缓冲层、所述间隔层和所述帽层的禁带宽度值。从而在In_0.1Ga_0.9As量子阱中产生高度极化的载流子或者激子，利用隧穿效应实现从In_0.1Ga_0.9As量子阱到In_0.5Ga_0.5As量子点的高效率自旋注入。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本现有技术中一种光学自旋注入结构的示意图；

图2是本发明一种实施例所述光学自旋注入结构的示意图之一；

图3是本发明一种实施例所述光学自旋注入结构的示意图之二；

图4是本发明一种实施例所述光学自旋注入方法的流程图；

图5是本发明一种实施例所述光学自旋注入方法的原理说明图之一；

图6是本发明一种实施例所述光学自旋注入方法的原理说明图之二；

图7是采用本发明一个实施例的光学自旋注入结构及注入方法中In_0.1Ga_0.9As量子阱层和In_0.5Ga_0.5As量子点层中光致发光圆偏振度与间隔层厚度的关系。

图中附图标记表示为：1-衬底层，2-缓冲层，3-量子阱层，4-间隔层，5-量子点层，51-浸润层，52-量子点，6-帽层，7-自旋极化的载流子或激子，701-量子阱层光致发光圆偏振度与间隔层厚度的关系，702-量子点层光致发光圆偏振度与间隔层厚度的关系，8-圆偏振激光，9-量子点光致发光，10-隧穿注入方向。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种光学自旋注入结构，如图2、图3所示，包括衬底层1和在所述衬底层1上依次生长的缓冲层2、共振隧穿结构层以及帽层6。所述共振隧穿结构层沿生长方向依次为：量子阱层3、间隔层4、量子点层5；或者量子点层5、间隔层4、量子阱层3；其中所述量子点层5的晶格常数大于所述缓冲层2、所述间隔层4和所述帽层6的晶格常数。

图2和图3所示的光学自旋注入结构中，量子阱层3和量子点层5的顺序颠倒，载流子或激子的方向都是从量子阱层3到量子点层5。

本实施例中可以采用分子束外延或者化学气相沉积方法依次生长各层。其中共振隧穿结构包括量子阱层6、间隔层4和量子点层5。如图2所示，其中的量子点层5包括浸润层51和量子点52。因为量子点层5的生长过程必须先经历生长浸润层51的过程，然后在浸润层51上生长量子点52，因此浸润层51必须在量子点52的下方（此处所说的下方是指沿着生长方向的下方）。采用这种共振隧穿结构通过半导体量子点层与量子阱层的耦合-隧穿效应，解决了现有技术中势垒层材料中初始自旋极化率低与能量弛豫引起的自旋损失严重的问题，并且半导体量子点层中的量子点及其浸润层产生的自旋极化载流子或激子数量得到有效提高，能够向量子点中快速、高效地注入自旋极化的载流子或激子。

本实施例中，所述量子点层5为In_0.5Ga_0.5As量子点以Stranski-Krastanov的生长模式生长形成，厚度小于或等于20nm。进一步地，所述量子点层5的厚度为1.5-2.0nm，所述量子点层5的厚度为1.8nm，所述量子阱层3为In_0.1Ga_0.9As材料生长形成，厚度小于或等于100nm，优选所述量子阱层3的厚度为20nm，所述缓冲层2、所述间隔层4和所述帽层6的禁带宽度均大于所述In_0.5Ga_0.5As量子点的禁带宽度以及所述In_0.1Ga_0.9As材料的禁带宽度。采用上述设置可以使In_0.1Ga_0.9As材料形成的量子阱中的载流子或激子的基态能级高于In_0.5Ga_0.5As材料形成的量子点中载流子或者激子的基态能级，并且量子阱中的载流子或激子可以与量子点的激发态能级形成电子耦合从而实现共振隧穿。

所述间隔层4为GaAs材料生长形成，厚度为2-20nm，进一步地，所述间隔层4的厚度为2-15nm，优选所述间隔层4的厚度为2nm。所述间隔层4的厚度在15nm以下时，能够保证量子阱层和量子点层之间的耦合强度及载流子或激子的隧穿几率，实现20ps以下的快速、高效的自旋注入。

本实施例中所述缓冲层2的厚度为400nm；所述帽层6的厚度为50nm。由于光学自旋注入结构的衬底层1、缓冲层2和帽层6本身对自旋注入不会产生什么影响，因此其厚度只需要满足沉积工艺以及实际应用时的要求即可，在本实施例中不做过多要求。

实施例2

本实施例提供一种基于实施例1所述的光学自旋注入结构的光学自旋注入方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1：采用圆偏振激光激发所述光学自旋注入结构中的量子阱层3，产生自旋极化的载流子或激子；

S2：所述自旋极化的载流子或激子通过共振隧穿和能量弛豫进入量子点层5的激发态能级和基态能级，并发生辐射复合形成圆偏振光。

其中所述步骤S1中，所述激光为连续激光或脉冲激光，所述激光为左旋或者右旋的圆偏振光，且所述激光的波长为830-880nm。

其中所述步骤S1中，所述激光在激发时的激光能量高于或等于量子阱层3中的电子和空穴的基态能量的差值，同时低于所述缓冲层2、所述间隔层4和所述帽层6的禁带宽度。

如图5和图6所示，圆偏振激光8激发量子阱层3，产生自旋极化的载流子或激子7，自旋极化的载流子或激子7转移到量子点52中，与量子点的激发态和基态能级发生辐射实现量子点光致发光9，图中以箭头表示本实施例中所述光学自旋注入结构的隧穿注入方向10。

本实施例中，所述激光可以利用CCD或扫描（Sreak）探测器探测从量子阱层3和量子点52中发射的自旋偏振光光谱。从In_0.1Ga_0.9As量子阱层和In_0.5Ga_0.5As量子点层中探测到的光致发光谱或者时间分辨光致发光谱，分别获取激光激发后量子阱层中自旋极化的载流子或激子的自旋状态和自旋注入到量子点层中的载流子或激子的状态，进而分析载流子或激子从In₀.₁Ga₀.₉As量子阱层向In_0.5Ga_0.5As量子点层的瞬态转移过程。如图7所示，给出了In_0.1Ga_0.9As量子阱层和In_0.5Ga_0.5As量子点层中光致发光圆偏振度与间隔层厚度的关系。图中横坐标表示间隔层的厚度，纵坐标表示光致发光圆偏振度。从图中可以看出间隔层的厚度相同时，量子点层的光致发光圆偏振度和量子阱层的光致发光圆偏振度非常接近，尤其在间隔层为2nm时差距最小，说明量子阱层中的自旋极化的载流子或激子几乎百分之百转移至了量子点层中。需要说明的是，图7所对应的测量结果是针对如下结构获得的：In_0.1Ga_0.9As量子阱层和In_0.5Ga_0.5As量子点层都是利用分子束外延方法生长的，二者厚度分别是20nm和1.8nm，生长温度分别是520℃和480℃。

本实施例中的上述方案，在量子阱层中可以激发产生高度（理论值可达100%）自旋极化的载流子或激子，而且量子阱层中的载流子基态与量子点层的载流子基态能量差较小，可以与量子点层中激发态能级形成共振，避免了能量弛豫引起的自旋损失。而且自旋极化的载流子或激子在耦合的半导体量子阱和量子点结构中通过隧穿效应实现快速、高效的自旋注入，在20ps之内达到接近100%的自旋注入。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。