窄禁带半导体InSb低维纳米结构中的自旋调控

Among III-V semiconductors, InSb with narrowest band-gap has shown great advantages of the highest electron mobility, smallest effective mass, giant g factor, and strong Rashba spin−orbit interaction. It is considered an ideal candidate for fabricating novel spintronic nano-devices in semiconductors. However, preparation of high-quality InSb nano-structures has always been an inevitable difficulty because of technical problems during epitaxial growth control. So there have been few reports about spin transport behavior of this material. Recently, our group have successfully grown high-quality, single-crystalline, free-standing InSb nanosheets and nanowires. Through the reasonable design of spin field effect transistor (spin-FET) structure, this project aim to achieve spin injection, spin quantum manipulation, and non-local spin detection in InSb, in order to modulate its spin transport behavior by applying gate voltage. On the other hand, we plan to develop effective and reliable micro-nano fabrication techniques, and fabricate low-dimensional InSb spintronic devices by bottom-up method. This research could not only ascertain the scientific significance, but also yield potential value on constructing spin-dependent information transport with low power consumption, high density and high efficiency, which combines logic, storage and communication on only one chip.

在III-V族半导体中，窄禁带半导体InSb材料具有电子迁移率最高、电子有效质量最小、Lange g因子最大等优势特征，并且具有很强的Rashba自旋轨道相互作用，使得它成为制作新型半导体纳米自旋电子器件的理想材料体系。然而，由于可控生长工艺中的各种技术困难，制备高品质的InSb低维纳米结构一直是困扰科学家们的难题，因此对这类材料的自旋输运特性研究鲜有报道。本项目计划在其团队近期生长高质量立式InSb单晶纳米片和纳米线的前期基础上，通过设计合理的自旋场效应晶体管结构，发展有效和可靠的微纳加工技术手段，利用“自下而上”的方法制备出低维的InSb自旋电子器件，实现自旋注入、自旋量子调控和非局域探测，最终达到利用栅压控制自旋输运行为。本项目不但具有重要的科学意义，而且有利于构建低功耗、高密度、高效率的自旋输运的布线，把逻辑、存储和通信等功能融合在一块芯片上，具有潜在的应用价值。

基于铁磁金属/半导体结构的自旋电子器件具有实现自旋逻辑和开关性能的潜力，相比于传统基于电荷的逻辑器件具有更快的响应速度和更低的功耗，并且可以结合诸如非易失性信息存储之类的其他功能。在众多半导体中，兼具高电子迁移率和强自旋轨道耦合的III-V族窄带隙半导体被认为是作为自旋传输通道的理想材料。其中，又以InSb、InAs两者最为突出。因此本项目关于InSb、InAs自旋输运性质的研究对今后自旋器件的开发具有重要的参考价值。为了实现半导体自旋电子学的研究目标，本项目通过先进的微加工手段，深入研究以InSb、InAs为代表的窄禁带半导体纳米线、纳米片的电学和磁学输运性质，分析了具有显著本征半导体行为的纳米片器件中观察到的线性不饱和磁电阻效应；进一步的，制备了背栅场效应晶体管器件，研究了铁磁电极和非磁电极对器件输运行为的影响；在非局域自旋阀器件加工过程中，研究不同形状和尺寸的铁磁薄膜电极的形状各向异性特征，以便得到不同的开关场；着重分析了磁性电极器件中观察到的Hanle效应，系统表征了该Hanle效应随温度以及磁场方向的变化关系；最终对该体系的自旋注入、输运和探测进行了系统的研究和探索，解决半导体自旋电子学上的关键科学和技术问题。总之，本项目探索和优化了可行的器件加工工艺，打破传统的“自上而下”的方法，利用“自下而上”的加工工艺制备出了准二维的InSb和InAs自旋电子器件，采用精密的电学测量揭示和研究其自旋特性，并通过选择合适的势垒层和设计最佳的器件结构，探索提高自旋器件性能的技术途径。不但具有重要的科学意义，而且有利于构建低功耗、高密度、高效率的自旋输运的布线，把逻辑、存储和通信等功能融合在一块芯片上，具有潜在的应用价值。