科学家们在旋转Esaki二极管中创造了新的功能

2019-06-18 17:19:11

东京大学和东京工业大学的研究人员成功制造了由n型铁磁半导体(FMS)铟铁砷(In,Fe)As-a掺杂铁(Fe)制成的混合材料组成的自旋Esaki二极管进入砷化铟(InAs),一种以高速器件应用而闻名的III-V半导体 - 以及p型铟砷化物。在Esaki二极管中,一种利用所谓的隧道效应的半导体,其磁导率 - 当施加外部磁场时的电流变化 - 可以通过偏置电压或符号和幅度来广泛调谐。用于建立最佳操作的直流电压。该结果突出了将自旋度集成到传统半导体器件中的新颖性。

FMS是通过将大量(即,超过1%)的磁性掺杂剂掺杂到非磁性半导体中而制成的铁磁体,并且由于它们与现有半导体技术的高度兼容性而引起了很多关注。使用FMS可以将自旋自由度集成到电子设备中,这可以产生新的功能,例如非易失性,低功耗,可重配置性和量子计算。

东京大学工程研究生院研究员Le Duc Anh和Masaaki Tanaka教授与东京工业大学Pham Nam Hai副教授合作,研究小组使用铁作为砷化铟中的磁性元素基于Esaki二极管结构。掺杂在III-V半导体中的铁原子如砷化铟处于等电子状态,这意味着它们不提供载流子,允许研究人员独立控制局部自旋(铁)和载流子。铁电子态形成杂质带,其单独存在并低于导电载流子的能级,称为导带,并且这两个带(杂质带和导带)具有高度对比的对称性和自旋极化。因此,杂质带特性几乎不代表砷化铟铁薄膜的传输特性。本研究中基于砷化铁的自旋Esaki二极管的特点是参与电流的电子可以使用不同的偏置电压在杂质和导带之间切换; 通过这样做,可以翻转磁导的符号和大小。另一方面,研究人员从磁阻的偏置电压依赖性中获得了二极管元件自旋相关带结构的重要信息,从而为研究自旋电子材料的电子结构提供了有效的工具。

“尽管自20世纪90年代以来,全球许多集团积极开展铁磁半导体研究,但实现铁磁半导体器件仍面临严重问题,”田中说。他继续说道,“关键挑战之一是阐明其自旋相关的带结构。我们在本研究中对自旋Esaki二极管的结果不仅提出了一个非常有效的方法来解决这一重要问题,而且还生动地证明了利用其有趣的自旋相关带结构,可以控制电流响应的符号和幅度。到了磁场。因此,这是探索和理解新材料及其设备应用的重要一步。“

执行大部分实验的Anh说:“与其他自旋电子材料相比,铁掺杂铁磁半导体相对较新; 因此,它们具有许多未开发的特性,但也显示出许多前所未有的重要特征。在我们目前的工作中,我们首次在新的自旋装置 - 自旋Esaki二极管中展示了这样一个新功能,其中包含一个n型铁磁半导体。我对这个结果非常满意。“他继续说道,”我希望进一步加深对材料的理解,并在不久的将来将它们带入实用设备应用的新阶段。