[發明專利]一種自旋光電子器件及其自旋注入方法

在審

• 申請號: 201410041890.0
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN103779463A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 楊曉杰
• 申請（專利權）人: 蘇州強明光電有限公司
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/12;H01L33/00
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

1.一種自旋光電子器件，其特征在于，在襯底層上依次生長有p型緩沖層、阻擋層、第一勢壘層、耦合量子阱和量子點結構、第二勢壘層、n型接觸層以及電極層，所述n型接觸層與所述電極層形成自旋注入結構。

2.根據權利要求1所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述耦合量子阱和量子點結構沿生長方向依次為：量子點層、間隔層和量子阱層；其中所述量子點層的晶格常數大于所述p型緩沖層和所述間隔層的晶格常數，所述量子阱層和所述量子點層的禁帶寬度小于所述p型緩沖層、阻擋層、第一勢壘層、第二勢壘層和n型接觸層的禁帶寬度；所述量子阱層的禁帶寬度大于所述量子點層的禁帶寬度，且量子阱層中電子基態能級與量子點層中電子激發態能級接近或相等，形成共振。

3.根據權利要求2所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述電極層沿生長方向依次包括磁性金屬層、惰性金屬保護層以及上電極材料層，所述自旋注入結構為所述n型接觸層與所述磁性金屬層形成的磁性金屬-半導體（M-S）肖特基結，所述n型接觸層中施主濃度從10¹⁶cm^-3指數型增加到10¹⁹cm^-3。

4.根據權利要求2所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述電極層沿生長方向依次包括絕緣氧化物薄膜層、磁性金屬層和惰性金屬保護層以及上電極材料層，所述自旋注入結構為所述n型接觸層與所述絕緣氧化物薄膜層和所述磁性金屬層形成的磁性金屬-氧化物-半導體（M-O-S）隧道結，所述n型接觸層中施主濃度量級為10¹⁶cm^-3至10¹⁷cm^-3。

5.根據權利要求2-4任一所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述間隔層的厚度小于或等于15nm。

6.根據權利要求4或5所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述絕緣氧化物薄膜層為氧化鎂薄膜層，所述氧化鎂薄膜層的厚度為1-5nm。

7.根據權利要求2-6任一所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述磁性金屬層的厚度為1-20nm、所述惰性金屬保護層的厚度為1-5nm，所述n型接觸層為n型Al_yGa_1-yAs接觸層，其中0.05≤y≤0.1。

8.根據權利要求2-7任一所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述量子點層為In_mGa_1-mAs量子點以Stranski-Krastanov的生長模式形成，含有浸潤層，總厚度小于或等于10nm，其中0.3≤m≤1.0。

9.根據權利要求2-8任一所述的自旋光電子器件，其特征在于，所述量子阱層為In_nGa_1-nAs材料，厚度小于100nm，其中0.05≤n≤0.3。

10.一種基于權利要求1-9任一所述的自旋光電子器件的自旋注入方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：在p型緩沖層或襯底層和上電極材料層之間施加正向偏置電壓，利用自旋注入結構將在電極層中產生的自旋極化電子傳送到耦合量子阱和量子點結構；

S2：在所述耦合量子阱和量子點結構中的所述自旋極化電子與從所述p型緩沖層注入的空穴發生輻射復合形成圓偏振光。

11.根據權利要求10所述的自旋注入方法，其特征在于，所述步驟S1具體包括：

通過金屬引線在所述p型緩沖層或襯底層和所述上電極材料層之間施加正向偏置電壓，利用磁性金屬-半導體（M-S）肖特基結或者磁性金屬-氧化物-半導體（M-O-S）隧道結將所述電極層中的磁性金屬層中產生的自旋極化電子傳送到所述耦合量子阱和量子點結構中的量子阱層。

12.根據權利要求10或11所述的自旋注入方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括：

所述自旋極化電子經歷共振-隧穿和能量弛豫進入量子點層的激發態和基態能級并與從所述p型緩沖層注入的空穴發生輻射復合形成圓偏振光。

13.根據權利要求12所述的自旋注入方法，其特征在于，所述量子阱層的禁帶寬度大于所述量子點層的禁帶寬度，所述量子阱層中的基態能級高于所述量子點層中的基態能級并與其激發態能級形成共振。

14.根據權利要求10-13任一所述的自旋注入方法，其特征在于，所述間隔層厚度小于或等于15nm。