自旋霍爾效應與元件研究
Abstract
與傳統的霍爾效應不同, 自旋霍爾效應不需外加磁場便會將不同自旋組態的電子分離。
在霍爾效應中, Lorentz』s 力會將不同電性的電荷驅向樣品的不同側, 然而在自旋霍爾效
應中, 關鍵是電子的自旋, 因為自旋與軌道角動量交互作用的緣故, 自旋向上與向下的
電子會分別向傳輸通道的兩側移動。在實驗上觀測自旋霍爾效應遭遇的困難之一, 是沒
有可以直接觀測自旋的方式; 2004 年底在英國劍橋的Hitachi 團隊發展了一個聰明的方
法解決了此一問題, 因為電子電洞的復合會產生圓形偏振光而其偏振性係由電子與電洞
的自旋組態決定, 所以我們可以量測光的偏振比來得知載子的自旋; 由於幾何因素, 我
們需要一個橫向的p-n 二極體來進行此一實驗; 正因如此, Hitachi 團隊使用了一個巧妙
的方式製作了一個準橫向的p-n 接面, 這也是該實驗最為關鍵的地方; 但是, 由於他們
製作該p-n 接面的方法面臨表面復合與接面均勻性的問題, 發光頻譜變寬而且訊雜比頗
低, 致使他們無法給出量化的數據, 而這正是理論學家與未來發展急需的。
我們相信我們能夠經由發展一種新的製作橫向p-n 接面的方法, 來解決此一問題; 該製
程將會始於Dr. Harrell 等人在劍橋大學物理系時發展的方法, 她們使用無雜質之
AlGaAs/GaAs 異質接面來誘發二維電子並在極低濃度下獲得極高的電子遷移率; 我們將
改進該方法在同一晶片上誘發二維電子與電洞, 來製作所需之p-i-n 接面; 用我們的方法
研究自旋霍爾效應將更具有彈性與可靠性, 因此值得投入三年來努力; 第一年我們將研
究該製程之各項參數並將之實現, 也會深入探討二維橫向的p-i-n 二極體特性; 第二年將
會用來建立低溫之電激光量測系統, 為了研究自旋霍爾效應, 該系統必須能夠偵測不同
的偏振光, 我們會在所製作之p-i-n 二極體上進行電激光之測試, 我們相信該量測將會提
供非常有價值的數據, 我們會研究各種相關條件來瞭解自旋霍爾效應的物理特性; 在計
畫的第三年我們將目標放在成長In(Ga)Sb 的量子井, 因為它可能是自旋霍爾效應相關元
件應用上, 最佳的候選人。