一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢的方法與流程

2023-06-12 17:52:11

本發明涉及半導體及固體電子學領域，特別是一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢的方法。

背景技術：

線偏振光致電流與光致激發過程、聲子散射、靜態缺陷散射、載流子在非對稱中心散射及光子搖曳效應等相關。研究線偏振光致電流有利於製備實用的線偏振相關光電器件，例如偏振探測器、線偏振光伏器件、及光開關等。研究線偏振光電流隨溫度變化趨勢的調控有利於提高線偏振相關器件的溫度穩定性。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的是提出一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢的方法，實現起來較為便捷，成本低，調控效果好。

本發明採用以下方案實現：一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢的方法，包括以下步驟：

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；

步驟S2：使入射雷射波長為1064nm，將樣品置於杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的線偏振光致電流；

步驟S3：使入射雷射波長為532nm，將樣品置於杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的線偏振光致電流。

進一步地，步驟S1具體為：用分子束外延法在GaAs襯底上生長半導體量子阱樣品；樣品的生長過程為：首先在樣品上生長10個周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格作為緩衝層，再生長大於1μm的GaAs緩衝層，然後生長30nm厚的Al0.3Ga0.7As，進行Si-δ摻雜後再生長50nm厚的Al0.3Ga0.7As，最後生長10nm厚的GaAs；所述半導體量子阱樣品材料為單晶的GaAs/AlGaAs，且在二者的接觸面上形成二維電子氣。

進一步地，所述步驟S2與步驟S3中樣品溫度的控制通過杜瓦瓶和溫控箱組成的控溫系統。

與現有技術相比，本發明有以下有益效果：本發明提供了一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢的方法，實現較為便捷，成本低，調控效果好。

附圖說明

圖1為本發明實施例中GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品示意圖。

圖2為本發明實施例中所用的光路示意圖。

圖3為本發明實施例中雷射的入射平面示意圖。

圖4為本發明實施例中入射雷射波長為1064nm時的測試結果圖。

圖5為本發明實施例中入射雷射波長為532nm時的測試結果圖。

圖中：1為(001)面的GaAs襯底，2為10個周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格，3為大於1μm的GaAs，4為30nm厚的Al0.3Ga0.7As，5為50nm厚的Al0.3Ga0.7As，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波長雷射器，10為532nm波長雷射器，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

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。

本實施例提供了一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢的方法，樣品為分子束外延法在GaAs襯底上生長的GaAs/AlGaAs異質結，在GaAs和AlGaAs的界面上形成了二維電子氣。本實施例中，使得1064nm波長的雷射和532nm波長雷射分別入射到樣品上，其中雷射的入射角為30°，通過液氮以及控溫系統控制樣品溫度從77K至室溫300K的變化，從而調控GaAs/AlGaAs二維電子氣的線偏振光致電流變化趨勢。

本實施例具體包括以下步驟：

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；

步驟S2：使入射雷射波長為1064nm，將樣品置於杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的線偏振光致電流；

步驟S3：使入射雷射波長為532nm，將樣品置於杜瓦瓶中，使樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的線偏振光致電流。

在本實施例中，所述步驟S1中所述的條件為：樣品是一個利用分子束外延法生長的。樣品襯底為(001)面的GaAs。樣品的生長過程如下，首先在樣品上生長10個周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格作為緩衝層，防止襯底的缺陷蔓延至樣品中，再生長大於1μm的GaAs緩衝層，然後生長30nm厚的Al0.3Ga0.7As，進行Si-δ摻雜後再生長50nm厚的Al0.3Ga0.7As，最後生長10nm厚的GaAs作為蓋層。樣品各層都為單晶，樣品在GaAs和AlGaAs的界面上會生成二維電子氣。樣品結構如圖1所示。

本實施例中樣品的邊沿平行於樣品的[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。銦電極沉積完成後，在420℃下真空中退火15分鐘。再在銦電極上焊上銀線，以便獲取線偏振光電流信號。

在本實施例中，所述步驟S2可分為S21及S22兩個具體步驟：

步驟S21：通過改變入射雷射的波長來調控GaAs/AlGaAs二維電子氣的線偏振光致電流。實施例中將樣品置於杜瓦瓶中，並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。通過控制1064nm雷射器的開關，使得1064nm波長的雷射入射到樣品上。其中雷射的入射角為30°，入射平面如圖3所示。

步驟S22：改變入射到樣品上1064nm雷射的偏振狀態，使樣品產生線偏振光電流。具體光路如圖2所示。首先準直光路，調整雷射經過兩個小孔光闌，雷射經過斬波器後，再經過起偏器使得雷射的偏振方向和起偏器的偏振方向一致，然後經過四分之一波片後照射在樣品上。其中樣品的邊沿平行於晶體的[110]和[10]晶向，在樣品的對角方向即[100]晶向沉積了一對銦電極。銦電極沉積完成後，在420℃下真空中退火15分鐘。再在銦電極上焊上銀線，銀線和導線相連接入前置放大器以便獲取線偏振光電流信號。在本實施例中雷射與樣品平面的夾角為60°，雷射的入射平面如圖3所示。實施例中通過步進電機控制四分之一波片以每個步長5°轉動，共轉過360°。由于波片轉動，入射到樣品上的雷射在線偏振光和圓偏振光之間周期變化。樣品所得的與波片轉動同步的信號經過前置放大器和鎖相放大器放大後輸入電腦。之後經過公式擬合提取出1064nm波長雷射照射下的線偏振光致電流信號。再測試樣品在雷射照射下且加1V電壓時的普通光電流I，將線偏振光用普通光電流I歸一化，即將測得的線偏振光致電流LPGE信號除以普通光電流I，以去除載流子變化帶來的影響。線偏振光LPGE用普通光電流I歸一化後的LPGE/I隨溫度的變化趨勢如圖4所示。

在本實施例中，所述步驟S3可分為S31及S32兩個具體步驟：

步驟S31：通過改變入射雷射的波長來調控半導體二維電子氣的線偏振光致電流。實施例中將樣品置於杜瓦瓶中，並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。通過控制532nm雷射器的開關，使得532nm波長雷射入射到樣品上。其中雷射的入射較為30°，入射平面如圖3所示。

步驟S32：改變入射到樣品上532nm波長雷射的偏振狀態，使樣品產生線偏振光電流。具體光路如圖2所示。雷射經過斬波器後，在經過起偏器使得雷射的偏振方向和起偏器的偏振方向一致，然後經過四分之一波片後照射在樣品上。其中樣品的邊沿平行於晶體的[110]和[10]晶向，在樣品的對角方向即[100]晶向沉積了一對銦電極。銦電極沉積完成後，在420℃下真空中退火15分鐘。再在銦電極上焊上銀線，銀線和導線相連接入前置放大器以便獲取線偏振光電流信號。在本實施例中雷射與樣品的夾角為60°，雷射的入射平面如圖3所示。實例中通過步進電機控制四分之一波長波片以每個步長5°，共轉過360°，由于波片轉動，入射到樣品上的雷射在線偏振光和線偏振光之間周期變化。樣品所得的與波片轉動同步的信號經過前置放大器和鎖相放大器後輸入電腦。之後經過公式擬合提取出532nm雷射波長照射下的線偏振光致電流信號。再測試樣品在雷射照射下且加1V電壓時的普通光電流I，將線偏振光用普通光電流I歸一化，即將測得的線偏振光致電流LPGE信號除以普通光電流I，以去除載流子變化帶來的影響。線偏振光LPGE用普通光電流I歸一化後的LPGE/I隨溫度的變化趨勢如圖5所示。

圖4是本發明一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢方法的實施例所測得的結果。測試所用光路如圖2所示，雷射入射平面如圖3所示，其中雷射與樣品的夾角為60°。由圖4可知隨著溫度的上升，在1064nm波長雷射照射下所測的線偏振光致電流增大。

圖5是本發明一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中線偏振光致電流隨溫度變化趨勢方法的實施例所測得的結果。測試所用光路如圖2所示，雷射入射平面如圖3所示，其中雷射與樣品的夾角為60°。由圖5可知隨著溫度的上升，在532nm波長雷射照射下所測的線偏振光致電流減小。

在圖4中，在1064nm波長雷射照射下所測的線偏振光致電流隨溫度的升高而增大，在圖5中，在532nm波長雷射照射下所測的線偏振光致電流隨溫度的升高而降低。由圖4圖5可知，不同入射雷射波長能有效調節半導體二維電子氣的線偏振光致電流。

本實例中通過改變入射雷射波長調控半導體二維電子氣的線偏振光致電流的原理如下：1064nm波長雷射引起載流子的子帶間激發，1064nm波長雷射將半導體二維電子氣導帶中位於較低能級的電子激發到更高的能級上。532nm波長雷射引起載流子的帶間激發，將價帶中的載流子激發到導帶上去。1064nm波長的雷射將GaAs和AlGaAs的界面上形成三角阱中導帶的電子由低能級激發到更高能級上去。1064nm雷射波長激發的線偏振光電流和三角阱內的電子密切相關。溫度升高使得GaAs和AlGaAs界面的三角阱展寬，二維電子氣中電子濃度下降，1064nm雷射波長下測得的線偏振光電流隨溫度的升高呈上升趨勢由於三角阱中的載流子濃度隨溫度上升而減小，載流子之間的無規則散射減少了，因此導致半導體二維電子氣的線偏振光致電流增大。然而在532nm波長雷射入射時，532nm波長雷射將電子由價帶激發入導帶，導帶中的電子在熱激發下越過勢壘進入量子阱，溫度高時電子在熱激發下越過勢壘進入量子阱的概率更高，導致三角阱中的電子數增多，補償了由於溫度升高導致的電子濃度減小效應，且隨溫度升高載流子之間的無序散射增加了，因此532nm雷射波長下測得的線偏振光電流隨溫度上升呈下降趨勢。因而如圖4和圖5所示，在1064nm波長雷射照射下所測的線偏振光致電流隨溫度的升高而增大，在532nm波長雷射照射下所測的線偏振光致電流隨溫度的升高而降低。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。