专利名称：可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及自旋存储探测和光探测器领域，提供了一种可实现自旋存储探测和光 探测器复合功能的器件结构。本发明可应用于自旋存储探测以及光探测器等相关技术中。
背景技术：
半导体材料形成了现代电子学、通信、数据存储和计算技术的基础，并很大程度上 影响着现代文明。在形成这些技术的基础中，有两个条件精确地控制和操作电荷在半导体 中的传输，以及利用半导体材料有效地产生和探测光的技术。半导体信息处理器件是最复 杂的高性能器件结构，建设一个新的生产线的成本大约在35亿美元，而且这其中25%的工 具会发生陈旧老化，每三年就需要更新换掉。因此，我们会想到取代当前信息处理方法的必 要性。金属自旋器件，比如硬盘的读取磁头和非挥发性的磁性随机存储器是过去十年中最 成功的技术，其作用甚至在一定程度上超越了 CMOS。今天我们要发展未来技术的一个挑战 是不仅要像当前技术这样控制电子电荷，而且要控制它的自旋，以建立未来自旋技术的基 础。控制电子的自旋将使电子携带的信息含量大大增加。相对于载流子的其他物理性质， 比如速度和空间位置，电子的自旋受到半导体的影响更小些。因此自旋相关时间也会长一 些，这对于未来的自旋器件是至关重要的。半导体材料吸收或者发射光，伴随着电子在不同能级的跃迁。能量守恒定律保证 了电子在跃迁过程中得到或者损失的能量与相应吸收或者发射的光子能量精确的一致。同 样地，角动量守恒定律使得光子的偏振状态与电子自旋状态相应的一致。自旋技术的实用化涉及到三方面的技术自旋注入、自旋传输和自旋存储、自旋读 取探测。自旋注入可以通过两种方法实现一是通过电注入的方法，二是通过光注入的方 法，目标是提高自旋注入的效率；自旋存储是希望得到尽量长的自旋弛豫时间，尤其是在室 温下实现以达到实用化；自旋探测是对自旋信息的检测读取。近些年来，世界上各个实验 组对这三方面关键技术进行了广泛的研究。法国的X. Marie小组已经检测到了 GaNAs和 InGaNAs量子阱在室温下可以实现较长的电子自旋弛豫时间。而大量的实验组通过在微腔 中埋入量子点或者量子阱测到了放大的法拉第旋转效应。但是并没有实验组将这两种技术 优势结合到一起。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件结 构，运用这种器件结构，可以在一个器件结构中实现自旋的存储、自旋的探测以及光探测三 种功能。本发明一种可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，包括一砷化镓衬底；一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；一微腔结构，该微腔结构生长在砷化镓缓冲层上。
所述的微腔结构包括一下反射镜；一下砷化镓层，该下砷化镓层生长在下反射镜上；一有源区，该有源区生长在砷化镓层上；一上砷化镓层，该上砷化镓层生长在有源区上；一上反射镜，该上反射镜生长在上砷化镓层上。所述的下反射镜为19个周期，每一周期包括一下高折射率砷化镓层和生长在下 高折射率砷化镓层上的下低折射率砷化铝层。上反射镜为14个周期，每一周期包括一上低折射率砷化铝层和生长在上低折射 率砷化铝层上的上高折射率砷化镓层。所述的有源区包括3组铟镓氮砷量子阱层，该3组铟镓氮砷量子阱层之间分别生 长有砷化镓间隔层。本发明的有益效果在于1、将InGaNAs在室温下较长的电子自旋弛豫时间和微腔的谐振增强效应以及增 强法拉第旋转效应结合到一起，从而可以实现电子自旋信息较长时间的存储以及对自旋信 息的探测。2、在实现自旋存储探测的同时，可以发挥量子阱微腔的谐振增强效应，实现对入 射光的探测，从而在一个器件上实现多种功能。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中图1为本发明器件的结构示意图；图2为本发明器件的荧光谱；图3为本发明器件的反射谱。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明一种可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件， 包括一砷化镓衬底10 ；一砷化镓缓冲层20，该砷化镓缓冲层20厚度为500纳米，生长在砷化镓衬底10上。一微腔结构30，该微腔结构30生长在砷化镓缓冲层20上。所述的微腔结构30包括一下反射镜31 ；所述的下反射镜31为19个周期，每一周期包括一下高折射率砷 化镓层311，其厚度为76. 4纳米，和生长在下高折射率砷化镓层311上的下低折射率砷化铝 层312，其厚度为90. 7纳米；一下砷化镓层32，该下砷化镓层32厚度为122. 5纳米，生长在下反射镜31上；一有源区33，该有源区33生长在下砷化镓层32上；一上砷化镓层34，该上砷化镓层34厚度为122. 5纳米，生长在有源区33上；所述的有源区33包括3组铟镓氮砷量子阱层331、333、335，该3组铟镓氮砷量子阱层331、333、 335之间分别生长有砷化镓间隔层332、334，其中每一组铟镓氮砷量子阱层的厚度为7纳 米，每一组砷化镓间隔层的厚度为20纳米；一上反射镜35，该上反射镜35生长在上砷化镓层34上；上反射镜35为14个周 期，每一周期包括一上低折射率砷化铝层351，其厚度为90. 7纳米，和生长在上低折射率砷 化铝层351上的上高折射率砷化镓层352，其厚度为76. 4纳米。本发明实施例设计的微腔腔模在1064纳米，上反射镜和下反射镜每一层的厚度 都是按照光学长度为中心波长1064纳米的四分之一设计的，上下反射镜之间的腔体光学 长度设计为1064纳米，量子阱对应的发光波长也在1064纳米。这是在微腔结构样品设计 中的基本原则，那就是上下反射镜对应高反带的中心波长、腔体长度对应的中心波长以及 有源介质的发光波长要保持一致，这样才能真正地实现微腔的谐振增强作用。我们首次在GaAs基微腔结构中生长InGaNAs量子讲，利用微腔的谐振增强效应， 可以实现电子自旋弛豫时间的增大，为电子自旋存储技术提供一种方法。下面介绍一下我 们测试电子自旋弛豫时间的实验技术。选取一种圆偏振光(左旋或者右旋)作为器件的泵 浦光，泵浦激光的波长不能长于InGaNAs量子阱的发光峰，否则将不能对InGaNAs量子阱实 现激发，同时泵浦激光要绕开微腔的高反带以便有效入射进入腔内。对器件施加一个圆偏 振激光脉冲激发后，检测量子阱发光峰相应圆偏振光的荧光强度随时间的变化曲线，可以 推断出电子自旋的弛豫时间。参阅图2及图3，分别显示本发明的荧光谱和反射谱。我们首次在GaAs基微腔结构中生长InGaNAs量子讲，利用微腔的增强法拉第旋转 效应，可以有效地对自旋信息进行探测，为自旋的检测技术提供一种方法。下面说明一下我 们探测自旋信息的实验方法，也就是利用传统的法拉第旋转技术。对器件施加一个圆偏振 的激光脉冲激发，然后斜入射线偏振的探测激光，在探测激光的反射方向检测线偏振激光 的偏转度(克尔旋转角)以及随时间的变化曲线，可以测得器件内电子自旋的状态信息。在 自旋探测技术中，法拉第旋转和克尔旋转是基本等效的技术，只不过法拉第旋转测试的是 线偏振探测光投射样品后的偏转角度，而克尔旋转测试的是线偏振探测光从样品反射出来 后的偏转角度。由于投射样品，需要将样品做的很薄，所以，为了测试方便，我们通常是探测 克尔旋转角的。我们首次在GaAs基微腔结构中生长InGaNAs量子讲，利用微腔的谐振增强效应， 设计微腔的腔模和量子阱的发光峰一致，作为一种高量子效率光探测器。这里说明一下我 们实现光探测的实验技术，利用传统的半导体工艺在器件的上下DBR做上欧姆接触，并引 出导线，在器件的上表面形成光入射窗口。当光照射到器件窗口时，在上下导线引出的回路 中施加适当偏压便可以检测到光电流。通过检测入射光功率和回路中的光电流的数值，便 可以进一步计算出探测器的量子效率。另外，需要说明的是，我们的微腔结构的上下高反射带均是n型掺杂，以确保尽量 小的内建电场，这对于实现器件的上述多种功能是很关键的。因为这既可以保证正常的实 现器件的光探测器功能，同时还不会对自旋存储和自旋探测功能造成不利的影响。虽然当前的半导体材料生长技术(比如M0CVD和MBE)已经可以将材料的生长精 度准确到纳米，但是在实际的生长过程中，复杂的器件结构以及长的生长时间还是会导致最终的器件结构有误差。对于微腔类型的器件结构，很重要的一点就是腔模与量子阱发光 峰要一致，目前普遍的做法是，在微腔生长过程中的某一段时间停止旋转形成腔体厚度的 自然梯度，然后通过在整个生长样品上选取不同的点来寻找腔模与量子阱发光峰匹配较好 的位置。 制备出高质量精确匹配的微腔量子阱器件结构，将大大有助于本发明设计器件功 能的实现。通过在一个器件上实现自旋存储、自旋探测以及附带的光探测功能，将为未来量 子计算的实现打下基础。
权利要求
一种可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，包括一砷化镓衬底；一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；一微腔结构，该微腔结构生长在砷化镓缓冲层上。
2.根据权利要求1所述的可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，所述的微 腔结构包括一下反射镜；一下砷化镓层，该下砷化镓层生长在下反射镜上；一有源区，该有源区生长在砷化镓层上；一上砷化镓层，该上砷化镓层生长在有源区上；一上反射镜，该上反射镜生长在上砷化镓层上。
3.根据权利要求2所述的可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，所述的下 反射镜为19个周期，每一周期包括一下高折射率砷化镓层和生长在下高折射率砷化镓层 上的下低折射率砷化铝层。
4.根据权利要求2所述的可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，上反射镜 为14个周期，每一周期包括一上低折射率砷化铝层和生长在上低折射率砷化铝层上的上 高折射率砷化镓层。
5.根据权利要求2所述的可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，所述的有 源区包括3组铟镓氮砷量子阱层，该3组铟镓氮砷量子阱层之间分别生长有砷化镓间隔层。
全文摘要
一种可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件，包括一砷化镓衬底；一砷化镓缓冲层，该砷化镓缓冲层生长在砷化镓衬底上；一微腔结构，该微腔结构生长在砷化镓缓冲层上。本发明可实现自旋存储探测和光探测器复合功能的器件结构，运用这种器件结构，可以在一个器件结构中实现自旋的存储、自旋的探测以及光探测三种功能。
文档编号H01L29/66GK101882629SQ20091008349
公开日2010年11月10日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者孙晓明, 甘华东, 申超, 郑厚植 申请人:中国科学院半导体研究所