自旋場效應管是什么？特性原理科普-KIA MOS管

自旋場效應管解析

自旋場效應管（Spin-FET）， 也稱為自旋偏振（極化）半導體場效應晶體管，這是一種半導體自旋電子器件。

工作原理

自旋FET是1990年由Datta和A.Das提出來的。其基本結構見圖示，參與導電的是InAlAs/InGaAs異質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；

柵極電場使溝道中高速運動的電子的自旋發生進動或轉動，當自旋變成反平行時即被D極排斥而不導電——D極排斥作用的強弱決定于自旋進動的程度，從而S-D電流受到柵電壓的控制。

基本結構如下圖所示，這是一個類似三明治的結構，兩邊是鐵磁性材料充當自旋相關載流子的源與漏，中間是由窄帶半導體材料(InA1As)和襯底(InGaAs)形成的二維電子氣。

為了說明這個器件的工作原理，我們可以通過電光效應來作類比闡述。圖2是電光效應的光學調制器的示意圖。

光束通過左邊的起偏器后，入射光就變成了沿與y軸成45°角偏振的線偏振光，它可表示成沿y軸偏振的線偏振光與沿z軸偏振的線偏振光的線性組合。

應用

1.因為自旋FET是通過自旋的翻轉來控制電流的，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通過驅趕[耗盡]電子的方法要快得多）。

2.這種自旋FET結構促進了自旋電子器件的半導體化，從而可利用先進的微電子工藝技術、可融合自旋電子器件與光電子器件以及發展出新型的光學器件（如超快速開關, 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.發展半導體自旋電子器件可能是開發量子計算機等量子信息機器的切實可行的途徑，因為量子位是相干疊加狀態, 自旋電子量子位（自旋向上和自旋向下的態的疊加狀態）比起基于電子電荷的量子位, 在相干性(維持相干疊加狀態的能力)上可獲得較長的相干時間（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。

電導特性

自旋場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關系。在考慮Dresselhaus效應以后，通過研究表明，在界面勢壘稍高的自旋場效應晶體管中電導表現出開關效應。

而且此開關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于準一維電子氣通道中的相干彈道型輸運。

實際上可以通過調節劈裂門電壓來改變Dresselhaus自旋軌道耦合強度從而可對自旋場效應晶體管進行開和關操作。另一方面，在近似歐姆接觸的自旋場效應晶體管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋進動的顯著的電導調制。

這個工作已經發表在美國的《應用物理快報》上。如果在自旋場效應管中加入磁場，電導隨磁場的變化也表現出很好的磁開關效應。

研究還表明，自旋場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帶間的匹配性等對電導也有較大影響。

實現自旋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”來實現，這種半導體可通過較低電壓來控制它在非磁狀態和鐵磁狀態這兩種狀態之間進行轉換（自旋開關），并且可用作為自旋過濾器（讓一種自旋狀態通過, 阻止另一種自旋狀態通過）。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在穿越半導體或進入另一種材料時, 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時間維持——自旋相干時間要長。

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