【资讯】自旋发光二极管

实用化的spin-LED 需同时满足三项条件：高效自旋注入、零磁场工作、电学切换偏振方向，核心障碍是铁磁金属与半导体之间的阻抗失配。在多种隧穿势垒方案中，CoFeB/MgO 综合性能最优，室温自旋注入效率超过 40%，与 CMOS 工艺兼容。将 CoFeB 减薄至 1.2 nm 后，MgO 界面诱导出垂直磁各向异性，器件无需外加磁场即可工作。Mo/CoFeB/MgO 体系经 400 °C 退火后 PMA 仍可达 1,818 kJ m?³，量子点spin-LED室温圆偏振度达 36%.

图2 | 超薄CoFeB/MgO的PMA机制与室温圆偏振

要在零磁场下电学切换偏振方向，作者引入自旋轨道矩（spin–orbit torque, SOT）方案。通过 Cr 插层降低沟道电阻、增强 SOT，量子点spin-LED 在室温下实现了磁化翻转，圆偏振度在 ±31% 之间切换，并可稳定重复 30 次以上。

图3 | SOT自旋-LED结构与圆偏振电学切换

仅提高注入效率还不够，载流子在半导体中的自旋弛豫同样决定圆偏振度。GaAs 自旋-LED 中弛豫分两阶段：电子穿过耗尽层时由 D'yakonov–Perel 机制主导，进入量子阱或量子点后由 Bir–Aronov–Pikus 机制主导。偏压与温度依赖关系表明，发光层而非注入器，最终决定室温圆偏振的上限。

图4 | 自旋-LED中两阶段自旋弛豫机制

除 GaAs 体系外，综述讨论了三类发光平台。GaN 适合短波长光源，但多数器件仍依赖外加磁场。二维过渡金属硫族化物借助谷自由度可获得高圆偏振，不过室温下激子寿命过短限制了性能。手性诱导自旋选择性提供了无需铁磁体的注入路径，已在 III–V 多量子阱集成方案中实现 +15% 与 −12% 的室温圆偏振。

图5 | GaN、二维材料与CISS自旋-LED代表结构

展望部分指出，将 SOT 注入器嵌入垂直腔面发射激光器，有望实现 GHz 量级偏振调制与电泵浦自旋激光，可面向数据中心光互连、安全通信、量子单光子源、3D 显示等场景延伸。截至 2026 年，室温电泵浦自旋激光、CISS 体系的动态偏振切换、二维材料的稳定室温运行，仍是有待解决的问题。

图6 | 自旋光电子学的潜在应用场景

参考文献： 中国光学期刊网

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