自旋場(chǎng)效應管是什么？特性原理科普-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-01-13
自旋場(chǎng)效應管（Spin-FET）， 也稱(chēng)為自旋偏振（極化）半導體場(chǎng)效應晶體管，這是一種半導體自旋電子器件。
自旋FET是1990年由Datta和A.Das提出來(lái)的。其基本結構見(jiàn)圖示，參與導電的是InAlAs/InGaAs異質(zhì)結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(chǎng)使溝道中高速運動(dòng)的電子的自旋發(fā)生進(jìn)動(dòng)或轉動(dòng)，當自旋變成反平行時(shí)即被D極排斥而不導電——D極排斥作用的強弱決定于自旋進(jìn)動(dòng)的程度，從而S-D電流受到柵電壓的控制。
基本結構如下圖所示，這是一個(gè)類(lèi)似三明治的結構，兩邊是鐵磁性材料充當自旋相關(guān)載流子的源與漏，中間是由窄帶半導體材料(InA1As)和襯底(InGaAs)形成的二維電子氣。
為了說(shuō)明這個(gè)器件的工作原理，我們可以通過(guò)電光效應來(lái)作類(lèi)比闡述。圖2是電光效應的光學(xué)調制器的示意圖。
光束通過(guò)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(xiàn)偏振光，它可表示成沿y軸偏振的線(xiàn)偏振光與沿z軸偏振的線(xiàn)偏振光的線(xiàn)性組合。
1.因為自旋FET是通過(guò)自旋的翻轉來(lái)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(guò)驅趕[耗盡]電子的方法要快得多）。
2.這種自旋FET結構促進(jìn)了自旋電子器件的半導體化，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(kāi)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)展半導體自旋電子器件可能是開(kāi)發(fā)量子計算機等量子信息機器的切實(shí)可行的途徑，因為量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(cháng)的相干時(shí)間（由于自旋之間的作用力很弱, 而且是短程力），并且采用n-型半導體可排除空穴自旋的不良影響。
自旋場(chǎng)效應管中的電導特性與自旋軌道耦合強度、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(lài)關(guān)系。在考慮Dresselhaus效應以后，通過(guò)研究表明，在界面勢壘稍高的自旋場(chǎng)效應晶體管中電導表現出開(kāi)關(guān)效應。
而且此開(kāi)關(guān)效應既不需要鐵磁源、漏極，也不需要自旋極化的注入。它在很大的程度上依賴(lài)于準一維電子氣通道中的相干彈道型輸運。
實(shí)際上可以通過(guò)調節劈裂門(mén)電壓來(lái)改變Dresselhaus自旋軌道耦合強度從而可對自旋場(chǎng)效應晶體管進(jìn)行開(kāi)和關(guān)操作。另一方面，在近似歐姆接觸的自旋場(chǎng)效應晶體管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋進(jìn)動(dòng)的顯著(zhù)的電導調制。
這個(gè)工作已經(jīng)發(fā)表在美國的《應用物理快報》上。如果在自旋場(chǎng)效應管中加入磁場(chǎng)，電導隨磁場(chǎng)的變化也表現出很好的磁開(kāi)關(guān)效應。
研究還表明，自旋場(chǎng)效應管的電導隨中間層半導體的厚度和兩邊鐵磁的磁化方向變化而呈現出明顯的量子振蕩效應，而且鐵磁和半導體價(jià)帶間的匹配性等對電導也有較大影響。
實(shí)現自旋FET的困難
1.如何將自旋電流從鐵磁電極S高效率地注入半導體？
——這可利用“磁性半導體”來(lái)實(shí)現，這種半導體可通過(guò)較低電壓來(lái)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)行轉換（自旋開(kāi)關(guān)），并且可用作為自旋過(guò)濾器（讓一種自旋狀態(tài)通過(guò), 阻止另一種自旋狀態(tài)通過(guò)）。但是磁性半導體的制備尚不成熟。
2.半導體自旋電子器件對磁性半導體的基本要求是：電子的自旋極化狀態(tài)在穿越半導體或進(jìn)入另一種材料時(shí), 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(cháng)時(shí)間維持——自旋相干時(shí)間要長(cháng)。
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