CN102288584B - 一种半导体中电子自旋有效寿命的连续单光束测试方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体中电子自旋有效寿命的连续单光束测试方法，使用连续单激光束、偏振片、1/2和1/4波片、偏振分束棱镜、衰减片、平衡光探测器和可变磁场，组成附图所示实验测量光路。连续单激光束既激发半导体中电子自旋极化，又测试自旋极化感应的法拉第效应和圆二色吸收效应。实验装置简单，造价低廉。实验上测试法拉第转角或圆二色吸收随磁场强度的变化曲线，并用发展的理论模型拟合此变化曲线，就能获得电子自旋的有效寿命。

Description

一种半导体中电子自旋有效寿命的连续单光束测试方法

技术领域

本发明涉及一种电子自旋有效寿命的光学测试方法。其特点是使用连续单束光，因而设备简单，廉价。属半导体参数光学测试技术领域，具有广阔的应用前景。 

背景技术

近年来，半导体自旋电子学研究成为国际前沿热点。电子自旋有效寿命成为最基本、最必要的测试参数之一。目前发展的电子自旋有效寿命光学测试方法主要是基于飞秒或皮秒锁模脉冲激光的时间分辨泵浦-探测技术，如时间分辨圆二色饱和吸收光谱和法拉第光谱。另一方面，还发展了基于发光圆偏振度时间分辨测量的技术。然而，这种技术的设备就更昂贵了，不仅需要锁模脉冲激光，而且还需要昂贵的条纹照相机。这些昂贵、并且实验操作复杂的实验测试技术极大地限制了自旋电子学实验研究的广泛开展。相反，汉勒(Hanle)效应是一种简单的电子自旋有效寿命光学测试技术。它使用连续的圆偏振激光束激发半导体样品，探测发光圆偏振度随外加磁场强度的变化，则可以获得电子自旋的寿命。但这种测试技术只限于辐射复合较强或发光效率较高的半导体样品的电子自旋有效寿命测量，而不适合于不发光或发光弱的半导体的电子自旋有效寿命的测量。最近，国际上报道了电子自旋有效寿命的自旋噪声光谱测试技术。它也是使用单束连续光，但需要高速采样示波器。而目前的高速采样示波器的采样速率到几个GHz的，价格也很昂贵，并且所能测试的自旋有效寿命在1ns以上。此外，这种技术只能测试n型掺杂半导体样品。综上所述，发明一种实验设备廉价、操作简单、适用范围广泛的电子自旋有效寿命测试技术是非常必要的。本发明正是要实现这一目标，使用廉价的连续单束激光测试半导体中电子自旋的有效寿命，而对半导体没有任何限制，不管它是否发光、自旋有效寿命长短，均可测量。 

发明内容

本发明发展了一种连续的单光束激光测试半导体中电子自旋有效寿命的方法，其实验测试原理如图1所示，实验装置简单，价格低廉。非偏振连续激光束1通过起偏器2后，变成线偏振光，其偏振方向与Y轴成θ角度，此角度是可调节的。此偏振光通过1/4波片3后，变成椭圆偏振光。3的快、慢轴分别沿X’、Y’方向，而X’-Y’坐标相对X-Y坐标旋转45度角。由3产生的椭圆偏振光激发样品4，则在样品中激发起电子自旋极化，因为椭圆偏振光包含不同强度的左、右旋圆偏振分量。根据半导体物理的光激发电子跃迁理论，左和右旋圆偏振光分别能够激发与光波矢同向和反向的电子自旋极化取向，所以，不同强度的左和右圆偏振光同时激发半导体样品，能够激发起电子自旋极化方向与光波矢同向或反向的电子自旋极化，而自旋极化的取向依赖椭圆偏振光的旋向，即左或右旋。样品中的电子自旋极化会导致法拉第效应和圆二色吸收效应。分别表现为透过样品的椭圆偏振光的主轴旋转一个角度(称为法拉第旋转角)和椭圆率发生变化。并且这些变化随样品4上沿Y轴方向施加的磁场强度B变 化而变化。实验上通过使用高灵敏度的平衡光探测器10测量法拉第转角或圆二色吸收随B的变化关系，就能够基于相关的理论模型获得电子自旋的有效寿命。显然，本发明的测试方法中既不使用昂贵的脉冲激光，也不使用昂贵的高速探测器和数字采样示波器。因而，实验设备价格低廉，有助于这种测试技术的广泛应用。 

假设椭圆偏振光激发半导体样品，而样品上没有外加磁场时，产生的稳定电子自旋极化为S₀，则在样品上施加Y向磁场强度B时，椭圆偏振光激发的沿光波矢(Z方向)方向的稳定电子自旋极化为： 

$S_z\left(B\right)=\frac{S_0}{1+{\left({\mathrm{\ω\τ}}^{*}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中ω为电子自旋绕磁场B的拉莫尔进动角频率，即 

此处g为半导体中电子的g因子，μ_B为玻尔磁子，是物理常数， 为普朗克常数除以2π。1/τ^*＝1/τ_s+1/τ，τ^*称为电子自旋的有效寿命，τ称为电子的复合寿命，而τ_s称为电子的自旋寿命。通常满足τ＞＞τ_s，所以，τ^*≈τ_s，因而，也通常简称电子自旋有效寿命为电子自旋寿命。只要实验上测量S_z(B)～B变化曲线，就能用方程(1)确定电子自旋有效寿命τ^*或τ_s。 

然而，自旋极化S_z不能实验上直接测量，因而，本发明发展了基于自旋极化感应的法拉第效应和圆二色吸收效应测试技术。具体测试方案如实例所述。 

附图说明

图1连续单光束测量半导体中电子自旋寿命原理图 

图1中，1为连续非偏振激光束；2为偏振片或起偏器，它的偏振方向如图中与Y轴成θ角度的斜线所示。3为1/4波片，转换线偏振光为椭圆偏振光，其快、慢轴分别沿X’和Y’轴，而X’-Y’坐标系相对X-Y坐标系旋转45度角。4为被测试的半导体样品。5为1/2波片或1/4波片，取决于测量法拉第转角或是圆二色吸收变化；为1/4波片时，其快、慢轴取向与3相同。6为偏振分束棱镜，将光束中沿X和Y的两正交偏振分量分解为两束沿不同方向传播的光束7和8。9为一个光强衰减片，用于圆二色吸收效应测量中，而法拉第效应测量中，此衰减片不需要，应该去除。注意，这里图中假设光束8强于7。反之，9应该放入光束7中。10(虚线框)为平衡光探测器，也俗称平衡光桥，是一个商业化产品，由两只光电响应特性一样的光电二极管和一个差分运算放大器组成。11为平衡光桥输出的电压信号，可以送入电压测量仪表测量，读出电压值。 

具体实施方式

实例一、电子自旋极化的法拉第转角测量 

当椭圆偏振光在样品中激发起方程(1)描述的电子自旋极化z分量时，会导致法拉第效应，即通过样品的椭圆偏振光的主轴会旋转一个角度 

并且满足关系： 

式中K为比例系数， 

在附图中设置5为1/2波片，同时去除衰减片9。首先，暂时去除样品4和设置磁场B＝0，并旋转5，直至平衡光桥10的输出电压11为零，并保持5在此状态。然后，再将样品放回。这时，由于S₀的出现，导致椭圆偏振光的主轴旋转角度 

进而导致10的输入偏离先前设置的平衡，其输出11将增大到某一不为零的值，记为V_f0。然后，扫描磁场B，并同时记录11的电压值V_f变化。 

上述实验测量到的V_f～B变化关系，满足如下方程： 

$V_f\left(B\right)=\frac{V_{f0}}{1+{\left({\mathrm{\ω\τ}}^{*}\right)}^2}---\left(3\right)$

使用上述方程(3)拟合实验测量到的V_f～B曲线，则可获得电子自旋有效寿命τ^*和τ_s≈τ^*。 

实例二、电子自旋极化的圆二色吸收测量 

当椭圆偏振光在样品中激发起方程(1)描述的电子自旋极化z分量时，会导致圆二色吸收效应，即Δα(S_z)＝α₊(S_z)-α_-(S_z)∝S_z(B)，其中α₊(S_z)和α_-(S_z)分别为右旋和左旋圆偏振光的吸收系数。 

设置附图中5为1/4波片，其快、慢轴分别沿X’、Y’坐标方向。首先暂时去除样品4，此时，由3产生的椭圆偏振光的左、右旋圆偏振分量由5转换成正交偏振的线偏振光，分别沿X、Y方向偏振。通过偏振分束棱镜6后，此X和Y偏振的分量分别沿7和8传播。通过调节衰减片9，直至平衡光桥10的输出11的值为零，并保持9在此状态。然后，放回样品4。由于S₀的出现，导致圆二色吸收效应，使椭圆偏振光的椭圆率发生变化，进而导致10的输入偏离先前设置的平衡，其输出11将增大到某一不为零的值，记为V_c0。然后，扫描磁场B，并同时记录11的电压值V_c变化。测量得到的V_c～B变化曲线，应该满足如下方程： 

$V_c\left(B\right)=\frac{V_{c0}}{1+{\left({\mathrm{\ω\τ}}^{*}\right)}^2}---\left(4\right)$

使用上述方程(4)拟合实验测量到的V_c～B曲线，则可获得电子自旋有效寿命τ^*和τ_s≈τ^*。 

Claims (2)

1.一种半导体中电子自旋有效寿命的连续单光束测试方法，使用连续单激光束(1)、偏振片(2)、1/4波片(3)、1/2波片(5)、偏振分束棱镜(6)、衰减片(9)、平衡光探测器(10)和可变磁场；激光束(1)通过偏振片(2)和1/4波片(3)后变为椭圆偏振光，在半导体样品(4)中激发起电子自旋极化；其特征在于此电子自旋极化会导致法拉第效应，使透过样品(4)的椭圆偏振光的主轴旋转一个角度，并且此转角随样品面内施加不同的磁场强度B而变化；在样品(4)后设置1/2波片(5)，同时去除衰减片(9)；首先，暂时去除样品(4)和设置B＝0，旋转1/2波片(5)，直至平衡光探测器(10)的输出电压(11)为零，并保持1/2波片(5)在此状态；然后，再将样品(4)放回；使用平衡光探测器(10)测量此转角变化对应的输出电压V_f随磁场强度的变化曲线，并用方程(1)拟合该曲线，则可以获得电子自旋的有效寿命τ^*；

式中ω为电子自旋绕磁场B的拉莫尔进动角频率，即 

此处g为半导体中电子的g因子，μ_B为玻尔磁子，是物理常数， 

为普朗克常数除以2π；V_f0为磁场等于零时，平衡光探测器的输出电压。

2.一种半导体中电子自旋有效寿命的连续单光束测试方法，使用连续单激光束(1)、偏振片(2)、第一1/4波片(3)和第二1/4波片(5)、偏振分束棱镜(6)、衰减片(9)、平衡光探测器(10)和可变磁场；激光束(1)通过偏振片(2)和第一1/4波片(3)后变为椭圆偏振光，在半导体样品(4)中激发起电子自旋极化；其特征在于此电子自旋极化会导致圆二色吸收效应，使透过样品(4)的椭圆偏振光的左和右旋圆偏振光分量的吸收系数之差不为零，并且此差值随样品面内施加不同的磁场强度B而变化；首先，暂时去除样品(4)和设置B＝0，并调节衰减片(9)，直至平衡光探测器(10)的输出电压(11)为零，并保持衰减片(9)在此状态；然后，再将样品(4)放回；使用平衡光探测器(10)测量此吸收系数差变化对应的输出电压V_c随磁场强度的变化曲线，并用方程(2)拟合该曲线，则可以获得电子自旋的有效寿命τ^*；

式中V_c0为磁场等于零时，平衡光探测器的输出电压；ω含义同方程(1)中。