信息学院寇煦丰课题组实现InSb/CdTe体系自旋轨道耦合效应的高效调控

自旋轨道耦合是用来描述电子运动轨道与其自旋自由度之间相互作用的一种效应；利用自旋轨道耦合相互作用，可以实现电场对电子自旋态的高效调控，进而为高性能低功耗的自旋电子器件的研发奠定基础。因此，如何高效地利用和调控自旋轨道耦合成为当前自旋电子学的研究热点。

近日，我校信息学院寇煦丰团队利用分子束外延（MBE）技术，制备出基于InSb/CdTe的强自旋轨道耦合异质结体系，并成功利用结构优化和电场调控实现了对该体系中自旋轨道耦合效应的高效剪裁。该研究成果以“Highly Efficient Electric-Field Control of Giant Rashba Spin-Orbit Coupling in Lattice-Matched InSb/CdTe Heterostructures”为题，发表于国际知名学术期刊ACS Nano。相较于传统的强自旋轨道耦合体系（如重金属与拓扑量子材料），在III-V族窄禁带半导体InAs,InSb所构成异质结构中，界面能带弯曲不仅能够形成高迁移率的二维电子气导电沟道，而且内建电场产生的Rashba效应可以增强体系的自旋轨道耦合效应，同时相关器件制备兼容于传统的半导体制造工艺，因此具备更加广阔的应用前景。

在研究中，寇煦丰课题组首先通过与InSb晶格匹配的II-VI族半导体CdTe缓冲层引入实现了在3英寸GaAs衬底上高质量的InSb/CdTe异质结单晶薄膜的大面积外延生长（相关工作发表在Applied Physics Letters 116, 122102 (2020)）。通过随后的变温电学输运测量，研究人员在该体系中观察到了弱反局域化效应（Weak Anti-Localization effect, WAL），并利用ILP 模型对WAL效应进行了定量拟合，计算出体系的自旋轨道耦合强度较传统的半导体异质结体系有显著增强。更为重要的是，通过对InSb/CdTe体系精确的层厚掺杂，研究人员确认了其内在机理来源于异质界面强内建电场所产生的Rashba效应。最终利用微纳加工工艺，研究人员制备了基于InSb/CdTe的场效应管原型器件，通过顶栅电压实现了在该体系中对自旋轨道耦合效应的高效剪裁，且电场的调控效率是其他材料体系的10-100倍，为目前国内外已有报道的最高值。这一研究成果对InSb/CdTe异质结构在低功耗自旋电子学的应用开辟了一条新的路径。

上海科技大学是该研究的第一完成单位，信息学院寇煦丰课题组2018级博士研究生张勇和2019级硕士研究生薛丰铧为文章共同第一作者，寇煦丰教授为文章通讯作者。此外信息学院杨雨梦课题组与清华大学宋成课题组也参与合作共同完成此项工作。该成果得到了科技部、国家自然科学基金、中科院、上海市科委、上海科技大学量子器件中心以及Merck POC项目的大力支持。

文章链接：http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07598

窄禁带InSb/CdTe异质结薄膜的外延生长以及自旋轨道耦合效应的有效调控