專利名稱：可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及自旋存儲探測和光探測器領域，提供了一種可實現自旋存儲探測和光 探測器復合功能的器件結構。本發明可應用于自旋存儲探測以及光探測器等相關技術中。
背景技術：
半導體材料形成了現代電子學、通信、數據存儲和計算技術的基礎，并很大程度上 影響著現代文明。在形成這些技術的基礎中，有兩個條件精確地控制和操作電荷在半導體 中的傳輸，以及利用半導體材料有效地產生和探測光的技術。半導體信息處理器件是最復 雜的高性能器件結構，建設一個新的生產線的成本大約在35億美元，而且這其中25%的工 具會發生陳舊老化，每三年就需要更新換掉。因此，我們會想到取代當前信息處理方法的必 要性。金屬自旋器件，比如硬盤的讀取磁頭和非揮發性的磁性隨機存儲器是過去十年中最 成功的技術，其作用甚至在一定程度上超越了 CMOS。今天我們要發展未來技術的一個挑戰 是不僅要像當前技術這樣控制電子電荷，而且要控制它的自旋，以建立未來自旋技術的基 礎。控制電子的自旋將使電子攜帶的信息含量大大增加。相對于載流子的其他物理性質， 比如速度和空間位置，電子的自旋受到半導體的影響更小些。因此自旋相關時間也會長一 些，這對于未來的自旋器件是至關重要的。半導體材料吸收或者發射光，伴隨著電子在不同能級的躍遷。能量守恒定律保證 了電子在躍遷過程中得到或者損失的能量與相應吸收或者發射的光子能量精確的一致。同 樣地，角動量守恒定律使得光子的偏振狀態與電子自旋狀態相應的一致。自旋技術的實用化涉及到三方面的技術自旋注入、自旋傳輸和自旋存儲、自旋讀 取探測。自旋注入可以通過兩種方法實現一是通過電注入的方法，二是通過光注入的方 法，目標是提高自旋注入的效率；自旋存儲是希望得到盡量長的自旋弛豫時間，尤其是在室 溫下實現以達到實用化；自旋探測是對自旋信息的檢測讀取。近些年來，世界上各個實驗 組對這三方面關鍵技術進行了廣泛的研究。法國的X. Marie小組已經檢測到了 GaNAs和 InGaNAs量子阱在室溫下可以實現較長的電子自旋弛豫時間。而大量的實驗組通過在微腔 中埋入量子點或者量子阱測到了放大的法拉第旋轉效應。但是并沒有實驗組將這兩種技術 優勢結合到一起。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件結 構，運用這種器件結構，可以在一個器件結構中實現自旋的存儲、自旋的探測以及光探測三 種功能。本發明一種可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一微腔結構，該微腔結構生長在砷化鎵緩沖層上。
所述的微腔結構包括一下反射鏡；一下砷化鎵層，該下砷化鎵層生長在下反射鏡上；一有源區，該有源區生長在砷化鎵層上；一上砷化鎵層，該上砷化鎵層生長在有源區上；一上反射鏡，該上反射鏡生長在上砷化鎵層上。所述的下反射鏡為19個周期，每一周期包括一下高折射率砷化鎵層和生長在下 高折射率砷化鎵層上的下低折射率砷化鋁層。上反射鏡為14個周期，每一周期包括一上低折射率砷化鋁層和生長在上低折射 率砷化鋁層上的上高折射率砷化鎵層。所述的有源區包括3組銦鎵氮砷量子阱層，該3組銦鎵氮砷量子阱層之間分別生 長有砷化鎵間隔層。本發明的有益效果在于1、將InGaNAs在室溫下較長的電子自旋弛豫時間和微腔的諧振增強效應以及增 強法拉第旋轉效應結合到一起，從而可以實現電子自旋信息較長時間的存儲以及對自旋信 息的探測。2、在實現自旋存儲探測的同時，可以發揮量子阱微腔的諧振增強效應，實現對入 射光的探測，從而在一個器件上實現多種功能。
為進一步說明本發明的技術內容，以下結合實例及附圖詳細說明如后，其中圖1為本發明器件的結構示意圖；圖2為本發明器件的熒光譜；圖3為本發明器件的反射譜。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明一種可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件， 包括一砷化鎵襯底10 ；一砷化鎵緩沖層20，該砷化鎵緩沖層20厚度為500納米，生長在砷化鎵襯底10上。一微腔結構30，該微腔結構30生長在砷化鎵緩沖層20上。所述的微腔結構30包括一下反射鏡31 ；所述的下反射鏡31為19個周期，每一周期包括一下高折射率砷 化鎵層311，其厚度為76. 4納米，和生長在下高折射率砷化鎵層311上的下低折射率砷化鋁 層312，其厚度為90. 7納米；一下砷化鎵層32，該下砷化鎵層32厚度為122. 5納米，生長在下反射鏡31上；一有源區33，該有源區33生長在下砷化鎵層32上；一上砷化鎵層34，該上砷化鎵層34厚度為122. 5納米，生長在有源區33上；所述的有源區33包括3組銦鎵氮砷量子阱層331、333、335，該3組銦鎵氮砷量子阱層331、333、 335之間分別生長有砷化鎵間隔層332、334，其中每一組銦鎵氮砷量子阱層的厚度為7納 米，每一組砷化鎵間隔層的厚度為20納米；一上反射鏡35，該上反射鏡35生長在上砷化鎵層34上；上反射鏡35為14個周 期，每一周期包括一上低折射率砷化鋁層351，其厚度為90. 7納米，和生長在上低折射率砷 化鋁層351上的上高折射率砷化鎵層352，其厚度為76. 4納米。本發明實施例設計的微腔腔模在1064納米，上反射鏡和下反射鏡每一層的厚度 都是按照光學長度為中心波長1064納米的四分之一設計的，上下反射鏡之間的腔體光學 長度設計為1064納米，量子阱對應的發光波長也在1064納米。這是在微腔結構樣品設計 中的基本原則，那就是上下反射鏡對應高反帶的中心波長、腔體長度對應的中心波長以及 有源介質的發光波長要保持一致，這樣才能真正地實現微腔的諧振增強作用。我們首次在GaAs基微腔結構中生長InGaNAs量子講，利用微腔的諧振增強效應， 可以實現電子自旋弛豫時間的增大，為電子自旋存儲技術提供一種方法。下面介紹一下我 們測試電子自旋弛豫時間的實驗技術。選取一種圓偏振光(左旋或者右旋)作為器件的泵 浦光，泵浦激光的波長不能長于InGaNAs量子阱的發光峰，否則將不能對InGaNAs量子阱實 現激發，同時泵浦激光要繞開微腔的高反帶以便有效入射進入腔內。對器件施加一個圓偏 振激光脈沖激發后，檢測量子阱發光峰相應圓偏振光的熒光強度隨時間的變化曲線，可以 推斷出電子自旋的弛豫時間。參閱圖2及圖3，分別顯示本發明的熒光譜和反射譜。我們首次在GaAs基微腔結構中生長InGaNAs量子講，利用微腔的增強法拉第旋轉 效應，可以有效地對自旋信息進行探測，為自旋的檢測技術提供一種方法。下面說明一下我 們探測自旋信息的實驗方法，也就是利用傳統的法拉第旋轉技術。對器件施加一個圓偏振 的激光脈沖激發，然后斜入射線偏振的探測激光，在探測激光的反射方向檢測線偏振激光 的偏轉度(克爾旋轉角)以及隨時間的變化曲線，可以測得器件內電子自旋的狀態信息。在 自旋探測技術中，法拉第旋轉和克爾旋轉是基本等效的技術，只不過法拉第旋轉測試的是 線偏振探測光投射樣品后的偏轉角度，而克爾旋轉測試的是線偏振探測光從樣品反射出來 后的偏轉角度。由于投射樣品，需要將樣品做的很薄，所以，為了測試方便，我們通常是探測 克爾旋轉角的。我們首次在GaAs基微腔結構中生長InGaNAs量子講，利用微腔的諧振增強效應， 設計微腔的腔模和量子阱的發光峰一致，作為一種高量子效率光探測器。這里說明一下我 們實現光探測的實驗技術，利用傳統的半導體工藝在器件的上下DBR做上歐姆接觸，并引 出導線，在器件的上表面形成光入射窗口。當光照射到器件窗口時，在上下導線引出的回路 中施加適當偏壓便可以檢測到光電流。通過檢測入射光功率和回路中的光電流的數值，便 可以進一步計算出探測器的量子效率。另外，需要說明的是，我們的微腔結構的上下高反射帶均是n型摻雜，以確保盡量 小的內建電場，這對于實現器件的上述多種功能是很關鍵的。因為這既可以保證正常的實 現器件的光探測器功能，同時還不會對自旋存儲和自旋探測功能造成不利的影響。雖然當前的半導體材料生長技術(比如M0CVD和MBE)已經可以將材料的生長精 度準確到納米，但是在實際的生長過程中，復雜的器件結構以及長的生長時間還是會導致最終的器件結構有誤差。對于微腔類型的器件結構，很重要的一點就是腔模與量子阱發光 峰要一致，目前普遍的做法是，在微腔生長過程中的某一段時間停止旋轉形成腔體厚度的 自然梯度，然后通過在整個生長樣品上選取不同的點來尋找腔模與量子阱發光峰匹配較好 的位置。 制備出高質量精確匹配的微腔量子阱器件結構，將大大有助于本發明設計器件功 能的實現。通過在一個器件上實現自旋存儲、自旋探測以及附帶的光探測功能，將為未來量 子計算的實現打下基礎。
權利要求
一種可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一微腔結構，該微腔結構生長在砷化鎵緩沖層上。
2.根據權利要求1所述的可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，所述的微 腔結構包括一下反射鏡；一下砷化鎵層，該下砷化鎵層生長在下反射鏡上；一有源區，該有源區生長在砷化鎵層上；一上砷化鎵層，該上砷化鎵層生長在有源區上；一上反射鏡，該上反射鏡生長在上砷化鎵層上。
3.根據權利要求2所述的可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，所述的下 反射鏡為19個周期，每一周期包括一下高折射率砷化鎵層和生長在下高折射率砷化鎵層 上的下低折射率砷化鋁層。
4.根據權利要求2所述的可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，上反射鏡 為14個周期，每一周期包括一上低折射率砷化鋁層和生長在上低折射率砷化鋁層上的上 高折射率砷化鎵層。
5.根據權利要求2所述的可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，所述的有 源區包括3組銦鎵氮砷量子阱層，該3組銦鎵氮砷量子阱層之間分別生長有砷化鎵間隔層。
全文摘要
一種可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件，包括一砷化鎵襯底；一砷化鎵緩沖層，該砷化鎵緩沖層生長在砷化鎵襯底上；一微腔結構，該微腔結構生長在砷化鎵緩沖層上。本發明可實現自旋存儲探測和光探測器復合功能的器件結構，運用這種器件結構，可以在一個器件結構中實現自旋的存儲、自旋的探測以及光探測三種功能。
文檔編號H01L29/66GK101882629SQ20091008349
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月6日 優先權日2009年5月6日
發明者孫曉明, 甘華東, 申超, 鄭厚植 申請人:中國科學院半導體研究所