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GaMnN基共振隧穿二极管自旋器件的设计和模拟

作　者: 刘艳
导　师: 王基庆
学　校: 华东师范大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: GaMnN 共振隧穿二极管自旋极化
分类号: TN31
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

目前,铁磁共振隧穿二极管由于在自旋阀和自旋过滤器件的应用,其研究已越来越受到重视。本论文主要研究了Ⅲ-Ⅴ族铁磁共振隧穿二极管（RTD）的共振隧穿特性,我们模拟了三种基于GaMnN的铁磁RTD结构:GaMnN作为势垒的两垒和三垒RTD结构:GaMnN作为势阱的RTD结构（Mn掺杂在发射极和阱中）,着重研究了温度、结构以及极化电荷等参数对铁磁RTD自旋极化度和磁电流等磁电性质的影响。研究结果有助于我们以后在无磁场条件下通过外加电压来调节铁磁RTD的自旋输运性质。首先我们利用Wingreen模拟软件,探索了一种基于GaMnN/InGaN的双势垒铁磁共振隧穿二极管结构在无磁场情况下的共振隧穿特性,主要研究了各量子阱中In组分、温度和自旋分裂能对电场调节下器件的电流密度和自旋极化度的影响。当量子阱中In浓度为大于积累区浓度时,能够清楚地观察到自旋电流的分裂。自旋分裂能为10meV时,低温下可以得到几乎100%的自旋极化度,即使在室温情况下也可以获得将近8%的自旋极化。自旋分裂能越大,获得的自旋极化度也越大,当自旋分裂能为100meV时,自旋极化则达到将近72%。其次我们构造并模拟了一种由非磁耦合量子阱和三个磁GaMnN势垒组成的铁磁共振隧穿二极管,通过改变三势垒中的相对磁化方向,从而形成两种反平行磁构造。基于二带模型,我们发现在一种优化结构“↑↑↓”中出现了很大的磁电流。同时,三势垒两种反平行情况下的磁电流分别是两垒结构时的42和1.2倍。因此,对于多层铁磁RTD,可通过改变磁化方向来达到调节磁电流的目的,相应地增加了调节磁电流大小的可控参数。最后我们采用有效质量近似和非平衡格林函数的方法来计算磁RTD系统的电子输运,提出了一种Mn掺杂在发射极中或量子阱中铁磁RTD结构,研究了室温下极化电荷、Mn不同位置的掺杂及电荷极化方向对RTD结构自旋极化的影响。与无极化电荷时相比,考虑了极化电荷的RTD结构要比不考虑极化电荷的结构要高2-4倍,并且在极化电荷浓度为2x10¹²/cm²时,自旋极化度可达到60%。此外,Mn掺杂在发射极的RTD结构中,电极子向右的自旋极化度是向左的3.5倍。这些结果为我们在压电型自旋器件中利用电荷极化调控自旋极化提供了有效的方法。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第一章绪论  10-18
  1.1 稀磁半导体  10-12
    1.1.1 稀磁半导体概述  10
    1.1.2 稀磁半导体的研究历史  10-11
    1.1.3 稀磁半导体的应用及其前景  11-12
  1.2 GaN基宽带隙稀磁半导体(Ga,Mn)N  12-18
    1.2.1 GaN的基本特性  12-14
    1.2.2 GaMnN的研究近况  14-18
第二章磁共振隧穿二极管  18-25
  2.1 磁RTD的研究意义  18
  2.2 磁共振隧穿结构  18-25
    2.2.1 双势垒TMR结构  19-20
    2.2.2 磁RTD结构  20-25
第三章 InGaN/GaMnN双势垒铁磁共振隧穿二极管的特性研究  25-35
  3.1 器件结构和计算方法  25-27
  3.2 In浓度对GaN/GaMnN铁磁RTD铁磁性能的影响  27-29
  3.3 温度对InGaN/GaMnN铁磁RTD铁磁性能的影响  29-32
  3.4 自旋分裂能对InGaN/GaMnN铁磁RTD铁磁性能的影响  32-35
第四章 InGaN/GaMnN三势垒铁磁共振隧穿二极管的特性研究  35-42
  4.1 器件结构和计算方法  35-36
  4.2 平行结构下三势垒铁磁RTD铁磁性能的研究  36-38
  4.3 两种反平行结构下三势垒铁磁RTD磁电流的研究  38-42
    4.3.1 两种反平行结构及磁电流的计算方法  38-39
    4.3.2 不同磁化结构对三势垒铁磁RTD磁电流的影响  39-42
第五章 AlGaN/GaMnN双势垒铁磁共振隧穿二极管自旋极化度的调制  42-52
  5.1 引言  42
  5.2 Mn掺杂在发射极时极化电荷对铁磁RTD自旋极化度的调制  42-48
    5.2.1 器件模型  42-43
    5.2.2 极化电荷对铁磁eRTD的I-V曲线和自旋极化度的影响  43-47
    5.2.3 极化方向对铁磁RTD自旋极化度的调制  47-48
  5.3 Mn掺杂在器件时中极化电荷对铁磁RTD自旋极化度的调制  48-52
    5.3.1 器件模型  48-49
    5.3.2 极化电荷对铁磁dRTD的I-V曲线和自旋极化度的影响  49-52
第六章结论  52-54
附录发表论文和科研情况  54-55
参考文献  55-59
致谢  59

GaMnN基共振隧穿二极管自旋器件的设计和模拟

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