改變GaAs/AlGaAs中Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化的方法與流程

2023-11-30 13:38:01 4

本發明涉及半導體自旋電子學領域，特別是一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢的方法。

背景技術：

改變電子自旋所需能量遠小於改變電子電荷所需的能量，因此自旋電子被廣泛研究，希望能製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於製備實用的自旋電子器件。

自旋軌道耦合包括由結構反演不對稱引起的Rashba自旋軌道耦合和體反演不對稱引起的Dresshaus自旋軌道耦合。其中Rashba自旋軌道耦合能通過電場，界面不對稱及溫度等因素改變。

Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流作為一種在能通過宏觀實驗測量的實驗參數，其通常情況下被用於研究各類半導體材料的自旋軌道耦合效應。本發明中通過測試GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流研究Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢。

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Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢的方法，通過改變入射雷射波長改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢。

本發明採用以下方案實現：一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合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，並沉積銦電極；

步驟S2：調整光路，使雷射光斑位於樣品兩個電極中間，雷射的入射角度為30°；

步驟S3：使入射雷射波長為1064nm，將樣品置於杜瓦瓶中，控制樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流；

步驟S4：使入射雷射波長為532nm，將樣品置於杜瓦瓶中，控制樣品溫度由77K至室溫300K變化，測量樣品隨溫度變化的Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

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；在 GaAs/AlGaAs異質結的界面上形成二維電子氣。

進一步地，所述步驟S3與步驟S4中，樣品溫度的控制通過杜瓦瓶和溫控箱組成的溫控系統。

進一步地，通過改變入射雷射波長改變Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢。

進一步地，入射雷射波長分別為1064nm波長和532nm波長。其中1064nm波長雷射可引起載流子的子帶間激發，532nm波長雷射可引起載流子的帶間激發。

進一步地，由於Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流和Rashba自旋軌道耦合成正比，因此本發明通過Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流研究Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢。

與現有技術相比，本發明有以下有益效果：本發明的實現較為簡便，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入射平面指示圖。

圖4為本發明實施例中入射雷射波長為1064nm的測試結果示意圖。

圖5為本發明實施例中入射雷射波長為532nm的測試結果示意圖。

圖中，1為(001)面的GaAs襯底，2為10個周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格，3為厚度大於1μm的GaAs，4為30nm厚的Al0.3Ga0.7As，5為50nm厚的GaAs，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為四分之一波片，19為GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品，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Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢的方法，所用樣品為用分子束外延法在（001）面GaAs襯底上生長的GaAs/AlGaAs量子阱樣品且在GaAs/AlGaAs界面上能形成二維電子氣。由於Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流和Rashba自旋軌道耦合成正比，因此本發明通過Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流研究Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢。本實施例通過改變入射雷射的波長改變Rashba自旋軌道耦合隨溫度的變化趨勢。入射雷射波長分別為1064nm波長和532nm波長，其中1064nm波長雷射可引起載流子的子帶間激發，532nm波長雷射可引起載流子的帶間激發。

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，並沉積銦電極；

步驟S2：調整光路，使雷射光斑位於樣品兩個電極中間，雷射的入射角度為30°；

步驟S3：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Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

步驟S4：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Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

較佳的，本實施例的具體步驟如下：

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，並沉積銦電極，可分為S11和S12兩個具體步驟。

步驟S11：本發明一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢的方法的實施例中的GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品如圖1所示。樣品是利用分子束外延法生長的。樣品襯底為(001)面的GaAs。GaAs/AlGaAs樣品的生長過程如下，首先在GaAs/AlGaAs樣品上生長10個周期GaAs/Al0.3Ga0.7As超晶格作為緩衝層，以防止襯底的缺陷蔓延至GaAs/AlGaAs樣品中，再生長大於1μm的GaAs緩衝層，然後生長30nm厚的Al0.3Ga0.7As，在表面進行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。GaAs/AlGaAs樣品各層都為單晶，在GaAs/Al0.3Ga0.7As異質結界面上會生成二維電子氣。

步驟S12：在樣品上沉積銦電極。電極位置如圖3所示。本實施例中樣品的邊沿平行於樣品[110]晶向和[10]晶向，在樣品的對角方向即[110]晶向沉積了一對銦電極。樣品電極位置圖3所示。銦電極沉積完成後，在420℃下真空中退火15分鐘。退火的具體步驟為，將樣品置於石英管中，先通氬氣，並排出空氣，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後開始抽真空。將管式爐加熱至420℃，將石英管放入管式爐中，15分鐘後取出，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，以便獲取圓偏振光電流信號。

步驟S2：調整光路，使雷射入射到樣品上，雷射光斑位於樣品兩個電極中間，雷射的入射角為30°，可分為S21和S22兩個具體步驟。

步驟S21：光路調整的具體步驟如下：由於1064nm波長為紅外光肉眼不可見，直接調整1064nm波長雷射入射在樣品上時難以確定雷射的具體位置，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波長雷射器使其通過兩個小孔光闌的中心，並調整起偏器和四分之一波長波片，使雷射通過起偏器和四分之一波長波片的中心，雷射的入射角為30°，使雷射入射在樣品兩個電極的中心，雷射入射平面如圖3所示。上轉換片在1064nm雷射波長照射下能發出綠色螢光，藉助上轉換片調整1064nm波長雷射使1064nm雷射通過兩個小孔光闌。當532nm波長雷射和1064nm波長雷射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波長雷射也打在樣品兩電極中點，且雷射的入射角為30°。

步驟S22：本實施例中所用的光路圖如圖2所示。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二維電子氣樣品上。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°轉動，共轉過360°。由于波片轉動，入射到GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品上的雷射在線偏振光和圓偏振光之間周期變化。GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品中由雷射激發產生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Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流信號CPGE。再測量GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品在1V電壓下的普通光電流I，將Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流CPGE用普通光電流I歸一化，及將圓偏振光致電流CPGE除以普通光電流I，以消除載流子濃度變化影響，圓偏振光致電流CPGE用普通光電流I歸一化後的CPGE/I隨溫度的變化趨勢能反映Rashba自旋軌道耦合隨溫度的變化趨勢，如圖4和圖5所示。

步驟S3：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Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流的變化趨勢。本實施例所用光路如圖2所示，入射平面如圖3所示。本實施例中，通過控制1064nm雷射器開關，使得1064nm波長的雷射入射到GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品上，其中雷射的入射角為30°。實施例中將GaAs/AlGaAs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GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品溫度從77K至室溫的變化。測量在1064nm波長雷射激發下，GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品溫度從77K至室溫變化時的Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。再測試GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品在1064nnm波長雷射激發下在1V偏壓下的普通光電流I，將Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光用普通光電流I歸一化，及將圓偏振光致電流CPGE除以普通光電流I。本步驟所得Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流隨溫度的變化趨勢如圖4所示。由於Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流與Rashba自旋軌道耦合成正比，可知本實施例中1064nm波長雷射激發下Rashba自旋軌道耦合隨溫度的變化趨勢如圖4所示。

步驟S4：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Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流的變化趨勢。圖5是本發明一種改變GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢的方法的實施例所測得的結果。圖5所用光路如圖2所示，入射平面如圖3所示。實施例中將GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品置於杜瓦瓶中，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GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品溫度從77K至室溫300K變化。測量在532nm波長雷射入射下，GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品溫度從77K至室溫300K變化時的Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。再測試GaAs/AlGaAs二維電子氣樣品在532nm雷射波長下在1V電壓下的普通光電流I，將Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光用普通光電流I歸一化，及將圓偏振光致電流CPGE除以普通光電流I。本步驟所得Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流隨溫度的變化趨勢如圖5所示。由於Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流與Rashba自旋軌道耦合成正比，可知本實施例中532nm波長雷射激發下Rashba自旋軌道耦合隨溫度的變化趨勢如圖5所示。

在圖4中，在1064nm波長雷射激發下所測的Rashba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，在圖5中，在532nm波長雷射激發下所測的Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流隨溫度基本不變。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Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流。

半導體二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流可來源於帶間激發或子帶激發。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。

Rashba自旋軌道耦合係數和三角阱中的載流子濃度相關，二維電子氣濃度下降將使得Rashba自旋軌道耦合常數增大。溫度上升，使得三角阱展寬，導致二維電子氣濃度下降，引起Rashba自旋軌道耦合常數增大，因而1064nm波長下的CPGE電流隨溫度的升高而增大。然而在532nm波長雷射激發下，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，這補償了由於溫度升高引起的電子濃度減小的效應，使得三角阱中載流子濃度隨溫度變化不大，因而Rashba自旋軌道耦合常數隨溫度變化也較小。因此在1064nm波長雷射激發下所測的Rashba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，而在532nm波長雷射激發下所測的Rashba自旋軌道耦合引起的圓偏振光致電流隨溫度基本不變。

從上述實施例中可以看出，本發明提供了一種調控半導體GaAs/AlGaAs二維電子氣中Rashba自旋軌道耦合隨溫度變化趨勢的方法，本方法的實現較為簡便，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，並不用於限制本發明，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範圍之內。

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。