中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-025）——首次实现氮化物半导体二维电子气中自旋的电学注入

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工作简介

         ——首次实现氮化物半导体二维电子气中自旋的电学注入

随着信息技术逐步迈向后摩尔时代，基于半导体中的电子自旋自由度发展新一代高速低功耗信息处理器件的自旋电子学受到高度关注。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二维电子气（2DEG）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巨大成功，若能利用氮化物半导体2DEG发展自旋电子器件，将为自旋电子学研究向氮化物宽禁带半导体的拓展开辟先河，并有望提升自旋电子器件的性能。

利用电学方法实现向半导体中的自旋注入是构造自旋电子器件的核心环节之一，然而要在氮化物半导体2DEG中达到这个目标却面临很大的困难。一方面，界面电导失配在宽禁带半导体中尤为显著，限制了自旋注入的效率；另一方面，在传统的AlGaN/GaN异质结构中，只有较厚AlGaN势垒层的量子限制才能形成2DEG，这将导致注入的自旋信号在势垒层中快速弛豫。因此，目前国际上仍没有实现氮化物半导体2DEG中自旋的电学注入。

北京大学和中科院物理所、法国Institute Jean Lamour研究团队合作，创新地采用超薄AlN层同时作为限制2DEG的势垒层和自旋注入的隧穿层，进行AlN/GaN异质结构中2DEG自旋的电学注入。一方面，超薄AlN势垒层的强量子限制形成了超高浓度、高迁移率的2DEG；另一方面，可利用AlN作为隧穿层解决电导失配问题，直接生长铁磁金属形成自旋隧穿结构。利用磁输运测量观测到自旋信号的Hanle效应，首次实现了氮化物半导体异质结构中2DEG自旋的电学注入。通过自旋注入信号随偏压和温度的变化关系，证实其自旋驰豫机制是Rashba自旋轨道耦合主导的D’yakonov Perel’自旋驰豫机制。该工作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. 自旋注入结构示意图。

图2. 自旋信号的Hanle效应。

相关研究成果以“Electrical Spin Injection into the 2D Electron Gas in AlN/GaN Heterostructures with Ultrathin AlN Tunnel Barrier”为题发表在 [Advanced Functional Materials, 31, 2009771 (2021)]上。北京大学博士生张晓玥为第一作者，唐宁研究员和沈波教授为共同通讯作者。

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作者简介

通讯作者

唐宁，北京大学研究员、博雅青年学者。曾获基金委优秀青年科学基金，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、Phys. Rev. Lett.、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Appl. Phys. Lett.和Phys. Rev. B等期刊发表学术论文100多篇。

通讯作者

沈波，北京大学教授、长江学者、杰青、基金委创新群体带头人、973计划项目首席科学家、863计划“第三代半导体”重点专项总体专家组组长、 “战略性先进电子材料”重点研发计划总体专家组成员。现为北京大学宽禁带半导体研究中心主任。

1995年至今一直从事GaN基宽禁带半导体材料、物理和器件研究，在GaN基材料MOCVD外延生长、异质结构二维电子气输运性质、 GaN基射频和功率电子器件、AlGaN基深紫外发光材料和器件等方面取得了在国内外同行中有一定影响的研究成果，并先后与华为、京东方、彩虹集团等企业开展了研发合作, 部分成果实现了产业化应用。迄今发表学术论文300多篇，论文被引用4000多次，获得/申请发明专利60多件，获国家技术发明奖二等奖、国家自然科学奖二等奖各一项和多项省部级奖励。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202009771

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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