Gate-Tunable Spin-Orbit Coupling Effects in An Undoped Ge/GeSi Heterostructure

Chung-Tao Chou^1*, Yen Chuang², Chia-You Liu², Jiun-Yun Li^1,2,3

¹Department of Electrical Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
²Graduate Institute of Electronics Engineering, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
³National Nano Device Laboratories, Hsinchu, Taiwan

* Presenter:Chung-Tao Chou, email:b03901128@ntu.edu.tw

閘極調變的自旋軌域耦合(spin-orbit coupling)可提供以電場控制自旋的途徑，在自旋電子學元件的應用中的扮演重要角色[1]。四族元素中，矽的自旋軌域耦合較弱[2]，不利於實現自旋電子元件如自旋電晶體。近年來已有研究發現在鍺/鍺矽異質結構形成的二維電洞系統有強自旋軌域耦合效應，惟先前所有相關研究都專注於調變摻雜(modulation doped)結構[3,4]，該結構無法提供二維載子濃度調變，進而限縮自旋軌域耦合應用。因此，本團隊利用無摻雜鍺/鍺矽異質結構，並利用閘極調變二維電洞的濃度首度於利用無摻雜四族異質結構所形成的二維載子系統中，成功地觀測到強自旋軌域耦合作用。

利用鍺/鍺矽異質結構製作具有閘極的霍爾元件以形成二維電洞，藉由量測該二維系統在不同閘極偏壓下，因弱侷限效應(weak-localization effect)和弱反侷限效應(weak-antilocalization effect)所造成的異常磁阻(anomalous magnetoresistance)來研究該系統的自旋軌域耦合，我們發現其異常磁阻顯示該系統的自旋軌域耦合強度可受閘極調變。此外，我們將磁阻數據以HLN模型[5]進行曲線近似以量化分析自旋軌域耦合，萃取出該系統的自旋軌域耦合參數係數(Rashba coefficient)約為0.3×10^-28eVm³，與其他團隊在調變摻雜的對應系統的實驗結果吻合[4]。且自旋鬆弛距離(spin relaxation length)與平均自由路徑(mean free path)為同一數量級，顯示該電洞能在彈道傳輸(ballistic transport)的距離尺度下受自旋軌域耦合而改變自旋方向，而不會受到任何傳輸散射影響，未來將可利用鍺/鍺矽無摻雜異質結構，利用閘極控制自旋軌域耦合效應以實現四族自旋電晶體。

參考文獻
[1] S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett., 56, 665 (1990)
[2] Z. Wilamowski, et al., Phys. Rev. B 66, 195315 (2002)
[3] R. Moriya, et al., Phys. Rev. Lett., 113, 086601 (2014)
[4] C. Morrison, et al., Appl. Phys. Lett., 105, 182401 (2014)
[5] S. Hikami, et al., Prog. Theor. Exp. Phys., 63, 707 (1980)

Keywords: 二維電洞, 鍺／鍺矽異質結構, 自旋軌域耦合, 弱反侷限效應