半导体自旋电子学是半导体磁电子学，它是利用磁性半导体材料或者磁性/ 半导体的复合材料，将磁性引入到半导体中来，由此可以研制光学隔离器、磁传感器以及非挥发性内存等新的半导体器件，而且这些都可以集成到其他半导体器件和电路中。

《半导体自旋电子学》介绍半导体自旋电子学的发展历史、基本概念和研究成果，并展望了它未来的发展。引言介绍半导体自旋电子学的发展历史。第1章介绍半导体中磁离子性质、磁离子在晶格场中的分裂以及基态、低激发态能级特点。第2章介绍稀磁半导体的性质、巨Zeeman分裂效应和光学性质。第3章介绍铁磁半导体、铁磁相互作用理论和影响居里温度的因素。第4章介绍自旋电子的注入、Rashba效应、自旋通过异质界面的相干输运及自旋极化电子注入的实验和iN论。第5章介绍自旋弛豫、自旋反转的3大机制：EY、DP和FIBAP机制以及自旋弛豫的实验研究。第6～10章是研究专题，介绍一些最新的研究成果。第6章介绍Rashba—Dresselhaus效应的理论基础和实验测定。第7章是自旋的光学响应，包括自旋分裂系统中光注入电子自旋引发的自旋光电流和电场导致电子自旋极化等。第8章是自旋相干电子的操控，包括电子自旋相干及空间运动、自旋霍尔效应、自旋流的产生及半导体中的自旋动力学等。第9章是自旋极化电子和磁畴的输运，包括磁性半导体二维电子气和量子点中的自旋输运、磁性半导体中的磁畴输运等。第10章是半导体量子点和量子线的自旋性质调控。

自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科。自旋电子器件与普通半导体电子器件相比具有不挥发、低功耗和高集成度等优点。

自旋的注入和检测

自旋注入和检测是实现自旋电子器件最基本的条件，磁性材料/半导体界面的自旋注入是最基本的自旋注入结构。最大的问题是如何将一束高度自旋极化电流从磁性材料有效地注入到半导体中，并且自旋极化在注入过程中没有大的损失。在室温下特别有效地注入方法还没出现。

1、欧姆式自旋注入

向半导体中注入自旋极化电流最直接的自旋注入结构，就是铁磁材料/ 半导体形成欧姆接触，由于在铁磁材料中电子是自旋极化的，因此，希望能够在半导体中注入自旋极化的电子。但是典型的金属一半导体欧姆式接触需要半导体表面重掺杂，这会引起载流子的自旋翻转散射，造成自旋极化度的损失。铁磁性金属到半导体自旋极化的欧姆式注入的最好结果仅达到4.5%(<10K)。

2、隧道结自旋注入

通过铁磁性/ 非磁性金属结(FM/NM)和铁磁性/ 超导金属结(FM/SM)的自旋注入已为物理学家们所熟知。Alvarado等人利用有磁性针尖的扫描隧道显微镜(STM)时，发现真空的隧道结能够有效地把自旋注入到半导体中。高阻抗的铁磁/ 绝缘层/ 铁磁结构也已经证实了隧穿过程中自旋极化可以保持，表明隧穿可能是比扩散输运更有效的自旋注入方法。

3、热电子自旋注入

这种注入方法是采用自旋极化的热电子(能量远大于EF)，通过一个隧道结注入到铁磁层，注入热电子的能量通过调节隧道结的偏压来调节。当多数和少数自旋电子的非弹性平均自由程有很大的差异时，热电子通过铁磁金属层(例如，1个3nm的Co层)就可以产生大于90%极化率的电子电流。按照界面处半导体和金属的能带结构所决定的传输几率，高度极化的电流可以保留相当的一部分。如果界面处自旋翻转散射较少，则进入半导体的弹道电流仍然是高度极化的。

4、自旋的检测

自旋检测有光学和电学检测两种方法。光学检测方法是比较成熟的，也取得了很大的进展。光学方法最大的优点是可以避免其他电学效应的影响。电学检测半导体内自旋极化的最直接的方法是利用半导体/铁磁界面的自旋相关输运性质。这种方案的收集电极采用欧姆接触，仍然存在电导率失配的问题。看起来，仍然需要采用半导体/ 铁磁的弹道接触或者隧穿接触。另外，势垒还必须足够薄，保证自旋极化电子能隧穿到铁磁电极，否则将会在半导体内弛豫。

半导体电子自旋的控制和操纵

介绍了如何通过材料本身来控制和操纵自旋，在实际应用中，往往需要用光或电场来操纵自旋。非磁性半导体结构在外部光或电场作用下也能产生一些有趣的自旋相关现象。例如，当一个半导体量子阱在外部光作用下产生极化时，利用右和左圆周极化光的吸收变化，可以制成很快的光控开关 ;通过光学上提取左右圆周极化光的区别，将能实现超快光开关。

半导体自旋电子学研究的目标之一就是利用基于电子自旋与核自旋的长自旋相干时间的半导体器件来完成量子信息处理。用半导体制造量子计算机有很多好处，它们不仅本身是固态材料适于大规模集成，而且其维度可由量子限制来控制并能通过外加场(如光场、电场、磁场)控制各种性能。事实上，自旋量子计算机可能是量子计算固态实现中最有前途的，也是自旋电子学发展集大成的表现形式。

自旋电子学起源于巨磁阻效应（GMR），已经成为凝聚态物理学领域的研究热点，其中半导体自旋电子学是自旋电子学中人们所关注的一个重要领域。从磁性半导体、自旋电子的注入、检测、输运等方面综述半导体自旋电子学的最新研究进展，并且指出半导体自旋电子学研究的重点及难点。

自旋电子的注入

制造自旋电子器件最关键的问题就是在不需要强磁场和室温情况下如何把自旋极化电子从磁性半导体注入到非磁性半导体内。自旋电子的注入来源主要有稀磁半导体、铁磁半导体以及铁磁金属，采用的注入方法主要有五种：欧姆注入法；隧道结注入法，弹道电子自旋注入、热电子注入，此外用稀磁半导体也能向非磁半导体内注入自旋极化电子。

由于半导体表面是重掺杂，导致了自旋反转的散射和自旋极化率的下降。因此欧姆注入法这种方法的自旋注入率很低。研究表明：用欧姆注入法最好的报道为4.5%的自旋极化注入效率。从Ni81Fe19薄膜向外延多层膜结构InAs形成的二维电子气中注入的自旋电子借助紧邻的Ni81Fe19电极被探测到。在20k的温度下，InAs中的电子的自旋扩散长度是1.8 。Ni81Fe19/InAs界面注入的电子自旋极化率为1.9%，甚至在室温下仍保持在1.4%。Hanbick等制备了Fe/AlGaAs/GaAs半导体量子阱LED结构，实现从Fe到AlGaAs的自旋注入，注入效率可达30%因此，采用FM-绝缘层-半导体隧穿二极管或者是金属/半导体Schottky势垒二极管可能成为自旋电子注入到半导体的有效方法。从Fe（001）通过Fe/ZeSe界面形成的反偏压肖特基隧穿势垒注入到n型掺杂的Fe/ZeSe（001）中，自旋电子在n-ZeSe层输运300nm后进入GaAs中复合，在温度为20k，100k时测得电子的自旋极化率分别为55%和54%，GaAs中电子自旋极化率在20-100k范围内与温度无关。从Fe薄膜经Al2O3隧穿势垒注入到Si（001）中，在5k温度下Si中的电子自旋极化率下限为10%，估计值可达到30%，并且直到125k，Si中的电子自旋极化率仍有较大值。

自旋霍尔效应

在外加电场下，材料中的自旋向上的电子和自旋向下上的电子由于各自形成的磁场方向相反，会各自在材料的相反两边形成自旋积累，这就是自旋霍尔效应（spinhalleffect简写为SHE）。

除了自旋共振技术外，常利用电光效应和磁光效应，例如法拉第效应就是一种典型的磁光效应，通过测量法拉第角即可求出样品中的磁矩，该技术的高灵敏度可以检测由于外加横向电场引起的小的自旋极化，此外早在1999年有人提出电测量方案，通过测量电势差可求得样品上的横向自旋积累。这种方法实验室已经实现，电流通过铋时由于自旋霍尔效应在表面产生自旋积累，Ni81Fe19电极可探测到由自旋积累产生的化学势，该实验在3.0K下自旋霍尔效应电导率σSH和自旋注入率η的乘积ησSH=1.98×102（Ωm）-1。ησSH的值随温度上升而下降。这种对温度的依赖现象表明铋中的自旋霍尔效应是非本征自旋霍尔效应。实验实现了自旋积累信号向电压信号的转化，使自旋霍尔效应的电学测量成为可能；还实现了大的逆自旋霍尔效应和自旋霍尔效应的产生和检测，室温下自旋霍尔电阻可达2.9mΩ。在应用方面，自旋霍尔效应为自旋电子注入和用电场控制自旋电子提供了一种新途径，提供了一种在半导体中传递信息的新方法，并有助于制造实用的自旋电子器件。