調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法與流程

本發明涉及半導體自旋電子學領域，具體涉及一種調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流的方法。

背景技術：

由于改變電子自旋所需的能量遠小于改變電子電荷所需的能量，因此自旋電子被廣泛研究，希望能制備利用電子自旋的電子器件。而在自旋電子器件中，樣品的自旋軌道耦合十分重要。自旋軌道耦合有Rashba自旋軌道耦合和Dresselhaus自旋軌道耦合，其中Rashba由結構反演不對稱引起，Dresselhaus由體反演不對稱引起。自旋軌道耦合與自旋電子的弛豫機制等息息相關，研究自旋軌道耦合有利于制備實用的自旋電子器件。

目前已知的調控半導體二維電子氣Dresselhaus自旋軌道耦合的方法有制備不同阱寬的量子阱半導體樣品，在半導體上施加應力等。制備不同阱寬的半導體樣品成本較高，工序繁瑣。在半導體上施加應力容易破壞樣品。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法，該方法可行性高，調控效果顯著，且實施簡便。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：通過改變樣品的溫度調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合，具體包括如下步驟，

S1：用分子束外延設備生長GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品，并沉積銦電極；

S2：調整光路，使1064nm波長的激光入射到GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品上，使激光光斑位于所述樣品兩個電極中間，激光入射角為30°；

S3：將所述樣品置于杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

在本發明的實施例中，所述步驟S1中的條件為：用分子束外延法在（001）面GaAs襯底上生長GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品；樣品的生長過程如下，首先在樣品上生長10個周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格作為緩沖層，再生長大于1μm的GaAs緩沖層，然后生長30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，進行Si-δ摻雜后再生長50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，最后生長10nm厚的GaAs。

在本發明的實施例中，所述GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品材料為單晶的GaAs/AlGaAs異質結，且在GaAs、AlGaAs二者的界面上形成二維電子氣。

在本發明的實施例中，所述步驟S3的條件為：將所述樣品置于杜瓦瓶中，通過由杜瓦瓶和溫控箱組成的控溫系統改變樣品溫度，以改變樣品的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

相較于現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明方法可行性高，調控效果顯著，且實施簡便。

附圖說明

圖1是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例中的GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品。

圖2 是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例中所用的光路圖。

圖3是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例中激光的入射平面示意圖。

圖4是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例所測得的結果。

其中1為(001)面的GaAs襯底，2為10個周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As 超晶格，3為大于1μm的GaAs，4為30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，5為50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，6為10nm厚的GaAs，7為Si-δ摻雜，8為GaAs/AlGaAs界面上生成的二維電子氣，9為1064nm波長激光器，10為532nm波長激光器，11和12為反射鏡，13為漸變衰減片，14為斬波器，15和18為小孔光闌，16為起偏器，17為四分之一波長波片，19為樣品，20和21為 沉積的銦電極。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的技術方案進行具體說明。

本發明為一種調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法，該方法通過改變樣品的溫度調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合，具體包括如下步驟，

S1：用分子束外延設備生長GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品，并沉積銦電極；

S2：調整光路，使1064nm波長的激光入射到GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品上，使激光光斑位于所述樣品兩個電極中間，激光入射角為30°；

S3：將所述樣品置于杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

所述步驟S1中的條件為：用分子束外延法在（001）面GaAs襯底上生長GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品；樣品的生長過程如下，首先在樣品上生長10個周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格作為緩沖層，再生長大于1μm的GaAs緩沖層，然后生長30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，進行Si-δ摻雜后再生長50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，最后生長10nm厚的GaAs。所述GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品材料為單晶的GaAs/AlGaAs異質結，且在GaAs、AlGaAs二者的界面上形成二維電子氣。

所述步驟S3的條件為：將所述樣品置于杜瓦瓶中，通過由杜瓦瓶和溫控箱組成的控溫系統改變樣品溫度，以改變樣品的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

以下結合附圖1-4講述本發明的具體實施例。

其中，對圖1-4說明如下：

圖1是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例中的GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品。1為(001)面的GaAs襯底，2為10個周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格，3為大于1μm的GaAs，4為30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，5為50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，6為10nm厚的GaAs，7為Si-δ摻雜，8為GaAs/AlGaAs界面上生成的二維電子氣。樣品為利用分子束外延法生長的GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品。樣品襯底為(001)面的GaAs。

圖2 是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例中所用的光路圖。9為1064nm波長激光器，10為532nm波長激光器，11和12為反射鏡，13為漸變衰減片，14為斬波器，15和18為小孔光闌，16為起偏器，17為四分之一波長波片，19為樣品。

圖3是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例中激光的入射平面指示圖。其中樣品的邊沿平行于[110]晶向和[10]晶向，在樣品的對角方向即[100]晶向沉積了一對銦電極。20、21為所沉積的銦電極。

圖4是本發明調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例所測得的結果。圖4所用光路如圖2所示，樣品入射平面如圖3所示，其中激光入射角為30°。

實施例1

本實施例中，樣品為分子束外延法在GaAs襯底上生長的GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品，在GaAs和Al_0.3Ga_0.7As的界面上形成了二維電子氣。本實施例中，調制1064nm波長的激光，使得1064nm波長的激光在圓偏振光與圓偏振光之間周期性變化入射到樣品上，其中激光入射角為30°，通過液氮控制樣品溫度從77K至室溫的變化，從而調控半導體二維電子氣的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。由于Dresselhaus自旋軌道耦合與其引起的圓偏振光致電流成正比，在實例中圓偏振光致電流能反映Dresselhaus自旋軌道耦合的變化。

在本實例中通過控制樣品溫度調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的步驟如下：

步驟S1：用分子束外延設備生長GaAs/AlGaAs半導體二維電子氣樣品，并沉積銦電極；

步驟S2：調整光路，使1064nm波長的激光入射到樣品上，并使激光光斑位于樣品兩個電極中間，激光入射角為30°；

步驟S3：將樣品置于杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

本實施例中步驟S1具體內容如下：

步驟S11：制備樣品。本實例所用樣品如圖1所示。本實施例所用樣品為分子束外延法在(001)的GaAs襯底上生長的GaAs/AlGaAs半導體樣品，且在GaAs和AlGaAs的界面上形成了二維電子氣。樣品的生長過程如下，首先在樣品上生長10個周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格作為緩沖層，防止襯底中的缺陷蔓延，再生長大于1μm的GaAs緩沖層，然后生長30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，進行Si-δ摻雜后再生長50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，最后生長10nm厚的GaAs。所述半導體樣品材料為單晶的GaAs/AlGaAs異質結，且在二者的接觸面上形成二維電子氣。

步驟S12：在本實施例中沉積銦電極具體步驟如下。本實施例中樣品的邊沿平行于[110]晶向和[10]晶向，在樣品的對角方向即[100]晶向沉積了一對銦電極。樣品電極位置圖3所示。銦電極沉積完成后，在420℃下真空中退火15分鐘。退火的具體步驟為，將樣品置于石英管中，先通氬氣，并排出空氣，以防止在退火的過程中殘留的空氣帶來的影響。當石英管中充滿氬氣后開始抽真空。將管式爐加熱至420℃，將石英管放入管式爐中，15分鐘后取出，在室溫下自然降溫，在退火和降溫過程中石英管均保持真空狀態。再在銦電極上焊上銀線，以便獲取圓偏振光致電流信號。

本實施例中步驟S2具體內容如下：

步驟S21：調整光路。由于1064nm波長為紅外光肉眼不可見，直接調整1064nm波長激光入射在樣品上時難以確定激光的具體位置，所以在實例中利用532nm波長綠光和上轉換片進行輔助調節。 首先調整532nm波長激光器使其通過兩個小孔光闌的中心，并調整起偏器和四分之一波長波片，使激光通過起偏器和四分之一波長波片的中心，并使激光的入射角為30°，使激光入射在樣品兩個電極的中心，激光入射平面如圖3所示。上轉換片在1064nm激光波長照射下能發出綠色熒光，借助上轉換片調整1064nm波長激光，使1064nm激光通過兩個小孔光闌。當532nm波長激光和1064nm波長激光都通過兩個小孔光闌時可認為兩束光的光路是重合的。此時，可認為1064nm波長激光也打在樣品兩電極中點且入射角為30°。

步驟S22：改變入射到樣品上激光的偏振狀態，使樣品產生圓偏振光致電流。具體光路如圖2所示。如S1調整好光路后，關閉532nm激光器，打開1064nm波長激光器。激光經過斬波器后，再經過起偏器使得激光的偏振方向和起偏器的偏振方向一致，然后經過四分之一波片后照射在二維電子氣樣品上。在本實施例中激光入射角為30°，激光的入射平面如圖3所示。實例中通過步進電機控制四分之一波片以每個步長5°，共轉過360°，由于波片轉動，入射到樣品上的激光在圓偏振光和線偏振光之間周期變化。GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品中由激光激發產生的信號經過前置放大器和鎖相放大器放大后輸入電腦。

步驟S31：實施例中將GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品用低溫導熱膠貼在杜瓦瓶內膽正對光學窗口處，并在杜瓦瓶中注入液氮，通過由杜瓦瓶和溫度控制箱組成的控溫系統控制樣品溫度從77K至室溫300K的變化，從而調控半導體二維電子氣的圓偏振光致電流。

步驟S32：改變入射到GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品上激光的偏振狀態，使樣品產生圓偏振光致電流。具體光路如圖2所示。用控溫系統，控制樣品溫度為77K，控制步進電機帶動波片轉動，入射到樣品上的激光在圓偏振光和線偏振光之間周期變化。GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品中由激光激發產生的信號經過前置放大器和鎖相放大器放大后輸入電腦。之后經過公式擬合提取出圓偏振光致電流信號。再測試樣品在1064nm激光激發下且加1V偏壓時的普通光電流I，將圓偏振光致電流CPGE用普通光電流I歸一化，即將圓偏振光致電流CPGE除以普通光電流I，以去除載流子變化帶來的影響。圓偏振光致電流CPGE用普通光電流I歸一化后的CPGE/I的隨溫度的變化趨勢能反映Dresselhaus自旋軌道耦合隨溫度的變化趨勢，如圖4所示。

步驟S33：利用控溫系統，樣品原有溫度上加溫20℃，重復步驟S32的圓偏振光測量，記錄圓偏振光致電流。

圖4是本發明一種調控GaAs/AlGaAs二維電子氣中Dresselhaus自旋軌道耦合的方法的實施例所測得的結果。在圖4中，在1064nm波長激光激發下所測的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流隨溫度的升高而增大。圖4所用光路如圖2所示，激光入射平面如圖3所示，其中激光入射角為30°。實施例中將樣品置于杜瓦瓶中，并在杜瓦瓶中注入液氮，通過由杜瓦瓶和溫度控制箱組成的控溫系統控制樣品溫度從77K至室溫的變化，從而調控半導體二維電子氣的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。由圖4可知隨著溫度的上升，GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品在1064nm波長激光激發下所測得的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流增大。可知，溫度對半導體二維電子氣的Dresselhaus自旋軌道耦合調控效果良好。

半導體二維圓偏振光致電流可來源于帶間激發或子帶激發。1064nm波長激光引起載流子的子帶間激發，1064nm波長激光將二維電子氣導帶中位于較低能級的電子激發到更高的能級上。Dresselhaus自旋軌道耦合與二維電子氣的動量弛豫相關。通過溫度變化調控半導體二維電子氣的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流，是由于溫度升高使得GaAs和Al_0.3Ga_0.7As的界面的三角阱展寬，三角阱中的載流子濃度隨溫度上升而減小，載流子之間的散射減少了，減少了動量的弛豫，從而增強了Dresselhaus自旋軌道耦合。圓偏振光致電流和自旋軌道耦合系數成正比，因此如圖4所示GaAs/AlGaAs二維電子氣的Dresselhaus自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流在高溫下值更大。

從上述實施例中可以看出，本發明提供了一種調控半導體二維電子氣Dresselhaus自旋軌道耦合的方法，本方法的實現比較方便，成本低，調控效果好。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和成果進行了詳盡說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。