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Fundamental Research 2021年第1卷第6期封面
氮化物半导体异质结构界面效应对电子自旋弛豫的影响
随着信息技术逐步进入后摩尔时代，基于半导体中电子的自旋自由度来发展新一代信息处理器件的自旋电子学受到人们的高度关注。自旋电子学器件是一种操控电子自旋自由度的器件，相比于操控电子的电荷自由度，自旋电子学器件具有高的运行速度、低的功率消耗、高的集成度等优点。以氮化物半导体为代表的宽禁带半导体具有较长的自旋弛豫时间和电场可调控的自旋轨道耦合效应，在发展室温自旋电子器件方面具有一定的优势。目前基于氮化物半导体异质结构的射频和功率电子器件在国家战略需求的多个应用领域已取得了成功，若能利用氮化物半导体异质结构发展自旋电子器件，有望提升自旋电子器件的性能。因此，理解氮化物半导体异质结构中电子自旋弛豫的影响规律就显得十分重要。
北京大学唐宁研究员和沈波教授课题组在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 第6期上发表了关于GaN/AlGaN异质结构中界面效应影响电子自旋弛豫性质的研究结果。该研究通过光致荧光谱以及时间分辨克尔光谱的研究方法，利用不同的光子激发波长揭示了GaN/AlGaN异质结构界面二维电子气以及局域电子的自旋弛豫性质。界面局域态抑制了电子自旋弛豫的通道，导致局域电子自旋弛豫时间超过1 ns;由于异质结界面存在强极化电场诱导的Rashba自旋轨道耦合，二维电子气具有较快的自旋弛豫，其自旋弛豫时间约为10 ps。由于二维电子气具有极高迁移率，其自旋扩散长度最大可以超过300 nm。此研究结果为宽禁带半导体自旋场效应晶体管等自旋电子器件的研制奠定了科学基础。
图1 GaN/AlGaN异质结构材料能谱分辨的克尔光谱
以上内容节选自期刊Fundamental Research 2021年第5期发表的文章“S. Zhang, N. Tang, X. Zhang, et al., Spin relaxation induced by interfacial e?ects in GaN/Al0.25Ga0.75N heterostructures, Fundamental Research 1(6)(2021) 656-660”。
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主要作者简介
唐 宁 北京大学研究员，博雅青年学者。国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者。入选中组部“万人计划”青年拔尖人才，担任国家重点研发计划重点专项项目负责人。主要从事宽禁带半导体材料物理和器件研究，迄今在Science Advances、Physical Review Letters、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Applied Physics Letters 和 Physical Review B 等期刊发表学术论文100多篇。
张仕雄 北京大学博士研究生，主要研究方向：宽禁带半导体自旋电子学及深紫外光谱研究。
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