文档介绍：硕士研究生学位论文
题目:自旋晶体管的蒙特卡罗模拟
及其设计
姓名: 刘剑华
学号: 10548053
院系: 信息科学技术学院
专业: 微电子与固体电子学
研究方向: ULSI 新器件及集成技术
指导教师: 康晋锋教授
二〇〇八年六月三日
北大硕士论文版权声明
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北大硕士论文摘要
摘要
自旋电子学是最近几年在凝聚态物理中发展起来的新学科分支,它研究在固
体中自旋自由度的有效控制和操纵,比如在金属和半导体中自旋极化、自旋动力
学、自旋输运和自旋检测。我们都知道,电子除了具有电荷的属性外,还具有内
禀自旋角动量,在外磁场中,不仅受洛仑兹力的作用,还通过内禀磁矩和外场发
,用电荷和自旋共同作为信息的载体,
将会发展出新一代的器件-自旋电子器件(Spintronics)。与传统的电子器件相比,
自旋电子器件具有稳定性好、数据处理速度更快、降低功率损耗以及集成密度高
等优点。其中一类器件,自旋晶体管,自从 1990 年, 和 B. Das 首次提
出其原型之后,得到了世界上很多科研小组的重视。很多关于自旋晶体管的文章
发表出来,其中包括自旋注入,自旋输运等等。然而由于工艺、及自旋注入效率
不高的原因,自旋晶体管的研究还是以理论研究为主。
本文建立了适合于研究自旋晶体管性能的蒙特卡罗模拟器。利用此模拟器,
首先研究了自旋极化矢在二维量子阱中的输运,进而研究了自旋极化矢在自旋晶
体管中的输运。自旋弛豫机制有多种,但在自旋晶体管中,由于沟道材料是 III-V
化合物,DP(D’yakonov-Perel’)机制是最主要的。DP 机制是与散射密切相关的。
故在本文中引入了薛定谔-泊松自洽求解来计算二维电子气的各子带包洛波函
数。利用包洛波函数来严格求解自旋进动矢和二维散射率。对于简单的二维量子
阱,研究了自旋输运与初始注入自旋极化矢方向,与电场强度,与子带个数的依
赖关系。在自旋晶体管中,进一步研究了自旋输运与沟道材料,源漏材料的依赖
关系。在此基础上,我们提出了不同材料特性下自旋晶体管的设计原则。
1. 自旋晶体管可以设计成两种,一种是由源漏控制的,一种是由栅压控制的,
两种晶体管需要用到不同的源漏材料和沟道材料。
2. 对于禁带宽度比较大的 III-V 化合物,如 GaAs, 需设计成源漏控制的,源漏
材料需要用到半金属材料。对于禁带宽度比较小的 III-V 化合物,如 InSb, 需要
设计成栅压控制的,源漏材料用一般的铁磁金属或稀磁半导体都可以。
关键词: 自旋晶体管,自旋-轨道耦合,自旋输运,自旋弛豫,自旋进动,子
带,二维散射,自洽薛定谔-泊松求解,Schottky 势垒,GaAs, InSb
北大硕士论文摘要
Abstract
Spintronics is a developing branch in condensed matter physics, which is mainly
focused on effective control and manipulation of spin degree of freedom, for example,
spin polarization, spin dynamics, spin transport and spin detection in metals and
semiconductors. As we all know, besides charge degree of freedom, electrons also
possess intrinsic spin angular momentum. In ic field, electrons are not only
influenced by Lorentz force, but also coupled with external field by spin-orbit
interaction. Introduction of spin into modern semiconductor devices will lead to the
emergence of next generation devices-spintronics. Compared to the