CN103383402A - 半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法，检测系统包括单色圆偏振光源、半导体二维电子气样品、压电陶瓷片、高压交流信号源、锁相放大器和电阻；所述单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品；所述压电陶瓷片对半导体二维电子气样品施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源向压电陶瓷片提供驱动电压；所述电阻与半导体二维电子气样品串联成一个回路；所述锁相放大器检测流经电阻的电流。本发明的检测灵敏度高，增强了CPGE技术的可靠性与优越性。

Description

半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法。

背景技术

半导体自旋电子学是研制自旋场效应晶体管等新型电子器件的新兴学科。这类新型自旋电子器件在功耗、集成密度、数据处理速度等方面将具有明显的优点。半导体二维电子气系统是上述新型自旋电子器件及物理研究的核心结构。向此二维电子气系统中有效注入自旋光电流并进行高灵敏度探测，是自旋电子学及自旋电子器件发展的前提条件。

基于圆偏振光电效应的光电流测试技术，简称为圆偏振自旋光电流(CPGE)技术，是研究半导体二维电子气系统中自旋光电流的主要新型实验技术手段之一，其工作原理是：在单色右(或左)圆偏振光激发下，由于光学跃迁、动量与能量守恒等多重定则的作用，基级子带上只有特定的电子才能跃迁到更高子带上，这就导致电子在k空间分布的不均匀，从而在实空间内相应的产生零偏压静电流，即所谓的圆偏振自旋光电流(简称为CPGE电流)。另外两种主要研究半导体二维电子气自旋特性的实验技术手段分别是基于磁电阻Shubnikov-de Haas振荡拍频效应(简写为SdH)和反弱局域效应(简写为WAL)的低温液氦磁输运实验技术。相比于低温液氦磁输运技术，CPGE技术可以在室温下进行测试。这使得CPGE技术测试系统复杂度大大简化，并且极大降低了在被测样品表面上制备欧姆电极的难度。该技术的光电流探测灵敏度相对较高、可直接在光电流与能带自旋分裂之间建立联系。尽管如此，CPGE技术也存在着明显的缺点，具体表现在：一，在实际测量中，圆偏振光激发产生的总电流(简称为圆偏振总光电流)中不仅包含CPGE电流，还包括其它效应产生的光电流和背景电流噪声，而CPGE电流的强度与这些电流相比，要弱小一到两个量级，对CPGE电流的探测灵敏度仍有待大幅提高；二，CPGE技术，同SdH、WAL等其它实验技术一样，难以直接从对CPGE电流的测量来确定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。CPGE技术的这两个缺点，降低了该技术对自旋特性进行检测和研究的有效性，限制了其在自旋电子学技术领域内的应用范围。

目前，国内外有很多研究组在尝试改进上述CPGE技术、提高其在半导体二维电子气CPGE电流探测研究方面的应用。针对CPGE技术的光电流探测灵敏度依然较低的缺点，有人在倡导和尝试将各种调制技术，如微波调制、电调制、掺杂调制等，引入到该领域的实验研究当中来。这些调制技术可以在一定程度上提高对CPGE电流进行探测的灵敏度。针对CPGE技术的上述第二个缺点，有研究组尝试在对CPGE电流进行测试的同时对半导体二维电子气样品施加静态单轴应力的作用。利用单轴应力的作用，通过造成与不同能带自旋分裂相关联的CPGE电流分量的强度发生相对变化，从而达到分辨出二维电子气系统中何种因素是能带自旋分裂的决定性机理的目的。然而，上述改进方法均使得实验系统可操作性与可靠性大幅降低。并且，这些方法的提出，都只能有限改进上述CPGE技术缺点的一个方面，而不能同时对上述两个方面的缺点进行改进。由此可见，在上述研究的基础上，非常有必要继续寻找合适的研究方案，对现有CPGE技术的两个主要缺点进行改进，并应用于半导体二维电子气系统。这是半导体自旋电子学领域亟需解决的关键科学与技术问题，有利于促进高效新型自旋电子器件的研究与发展。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法，提高检测的灵敏度，增强CPGE技术的可靠性与优越性。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，包括单色圆偏振光源、半导体二维电子气样品、压电陶瓷片、高压交流信号源、锁相放大器和电阻；所述单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品；所述压电陶瓷片对半导体二维电子气样品施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源向压电陶瓷片提供驱动电压；所述电阻与半导体二维电子气样品串联成一个回路；所述锁相放大器检测流经电阻的电流。

所述单色圆偏振光源由二极管泵浦的亚纳秒级固体脉冲激光器的线偏振激光斜入射通过四分之一玻片或者电光调制器后产生；所述固体脉冲激光器的型号为HLX-I-F020-000。

所述半导体二维电子气样品为半导体GaN二维电子气样品，包括在蓝宝石衬底上依次排列生长的GaN缓冲层、GaN本征层和Al₂₅Ga₇₅N势垒层，其中GaN缓冲层的厚度为1000nm，GaN本征层的厚度为2000nm，Al₂₅Ga₇₅N势垒层的厚度为25nm；所述半导体GaN二维电子气样品的电子气浓度大于10¹³cm^-2，电子迁移率大于1500cm²/Vs；所述半导体GaN二维电子气样品的表面欧姆电极的制备通过电子束蒸发技术蒸渡多层金属薄膜完成。

所述压电陶瓷片为按d33方式极化的锆钛酸铅多晶陶瓷片，在厚度方向上施加交变电压，在陶瓷平面上产生应力调制。

所述高压交流信号源为普通的自制电压信号源设备，其输出电压范围在0到2000V之间，电压频率的调节范围为10Hz至1kHz之间，并附带频率信号输出端口。

所述锁相放大器采用型号为Stanford SR830的通用锁相放大器，频率范围为1mHz到102.4kHz，相位精度为0.01°。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案是：半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

①、通过用单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品的同时，利用压电陶瓷片对半导体二维电子气样品施加周期性变化的应力；高压交流信号源向压电陶瓷片提供驱动电压，并且同时向锁相放大器提供参考频率信号；

②、利用锁相技术及锁相放大器测量得到的流经电阻的电流，即圆偏振总光电流；

③、通过CPGE电流唯象理论与分析方法，从圆偏振总光电流中提取出CPGE电流的强度，并判定哪种因素是半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

所述步骤①具体为：通过单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品的上表面，同时开启并设置高压交流信号源的输出电压强度为500V、输出电压频率为200Hz，高压交流信号源一方面通过驱动压电陶瓷片来对半导体二维电子气样品施加周期性应力作用，另一方面向锁相放大器提供参考频率信号。

所述步骤③中提取出CPGE电流的强度的具体方法为：CPGE电流唯象理论与数学拟合方法，从圆偏振光电流随相位角

变化的曲线，即曲线中提取得到CPGE电流的强度、周期等信息，该CPGE电流就是圆偏振自旋光电流，其中相位角

为偏振面与1/4波片光轴间的夹角。

所述步骤③中判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理的具体方法为：首先，在提取出CPGE电流的强度的基础上，以半导体二维电子气样品的表面法线方向为轴旋转半导体二维电子气样品，测量半导体二维电子气样品中圆偏振光电流在不同方位角β时的

曲线，再利用前述方法确定CPGE电流的强度I_C，得到I_C随方位角β的变化曲线，即I_C-β曲线，从而确定CPGE电流各向取向的属性，其中方位角β为ê_||与电极连线间的夹角；然后，施加压电调制作用，采取共面应力压电调制模式，以压电陶瓷片的驱动信号作为锁相放大器的主要参考信号，分别按前述步骤测量圆偏振光电流在不同方位角β时的

曲线，再通过

曲线得到CPGE电流的强度I_C，并最终得到I_C-β曲线；最后，根据I_C-β曲线上的函数关系偏离正弦函数的相对大小，得到CPGE电流各向取向的变化，从而判定出半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：(1)本发明在测量圆偏振光电流时通过对被测样品施加周期性的应力微扰，使被测物理量发生周期性变化。这种周期性的变化，能导致能带结构的周期性变化只在联合态密度的奇异点才最有效的表现出来，能抑制布里渊区中其它广延区域对背景电流噪声的放大作用、突出临界点对CPGE电流的贡献，本发明的灵敏度最高可增加2至3个数量级，明显增强CPGE技术的可靠性与优越性。

(2)本发明利用不同性质的电子态受到的调制幅度是不同的特性，对布里渊区Γ点之外的自旋简并态施加不同的调制作用，并探测这些自旋简并态对圆偏振光电流的贡献，即达到有效分辨Rashba SOI与Dresselhaus SOI的作用，从而达到澄清半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理的目的。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的结构示意图。

图2是本发明的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统中产生单色圆偏振光的光源结构图。

附图中的标号为：

单色圆偏振光源1、半导体二维电子气样品2、压电陶瓷片3、高压交流信号源4、锁相放大器5、电阻6、脉冲激光器8、四分之一玻片或者电光调制器9。

具体实施方式

(实施例1)

见图1，本实施例的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统包括单色圆偏振光源1、半导体二维电子气样品2、压电陶瓷片3、高压交流信号源4、锁相放大器5和电阻6。

单色圆偏振光源1斜照射半导体二维电子气样品2。压电陶瓷片3对半导体二维电子气样品2施加周期性变化的应力。高压交流信号源4向压电陶瓷片3提供驱动电压。电阻6与半导体二维电子气样品2串联成一个回路。锁相放大器5检测流经电阻6的电流。图中单色圆偏振光源1与半导体二维电子气样品2之间的箭头代表单色圆偏振光的入射方向，半导体二维电子气样品2与电阻6之间的连线箭头方向代表电流的流动方向，高压交流信号源4与锁相放大器5之间的箭头方向代表频率参考信号的输出方向。

见图2，单色圆偏振光源1由二极管泵浦的亚纳秒级固体脉冲激光器8的线偏振激光斜入射通过四分之一玻片或者电光调制器9后产生。固体脉冲激光器8的型号为HLX-I-F020-000。此激光器的型号为HLX-I-F020-000，激发光波长为1060nm，脉冲能量约为15uJ，脉宽约为1ns。半导体二维电子气样品2为半导体GaN二维电子气样品，包括在蓝宝石衬底上依次排列生长的GaN缓冲层、GaN本征层和Al₂₅Ga₇₅N势垒层，其中GaN缓冲层的厚度为1000nm，GaN本征层的厚度为2000nm，Al₂₅Ga₇₅N势垒层的厚度为25nm。半导体GaN二维电子气样品的电子气浓度大于10¹³cm^-2，电子迁移率大于1500cm²/Vs。半导体GaN二维电子气样品的表面欧姆电极的制备通过电子束蒸发技术蒸渡多层金属薄膜完成。压电陶瓷片3为按d33方式极化的锆钛酸铅多晶陶瓷片，在厚度方向上施加交变电压，在陶瓷平面上产生应力调制。高压交流信号源4为普通的自制电压信号源设备，其输出电压范围在0到2000V之间，电压频率的调节范围为10Hz至1kHz之间，并附带频率信号输出端口。锁相放大器5采用型号为Stanford SR830的通用锁相放大器，频率范围为1mHz到102.4kHz，相位精度为0.01°。电阻6为普通电阻元件，其阻值大小的选择需匹配半导体二维电子气样品的电阻值，用来优化电路回路中CPGE电流信号的提取，其阻值变化范围在10Ω到10kΩ之间。

在测量圆偏振光电流时通过对被测样品施加周期性的应力微扰，使被测物理量发生周期性变化。这种周期性的变化，实际上就是被测物理量对应力微扰的导数，此即所谓压电调制技术的微分特性。这种微分特性能导致能带结构的周期性变化只在联合态密度的奇异点才最有效的表现出来，能抑制布里渊区中其它广延区域对背景电流噪声的放大作用、突出临界点对CPGE电流的贡献。在普通圆偏振光电流测试中，背景电流噪声比CPGE电流约大两个量级。因此，可利用压电调制技术的微分特性，通过有效抑制背景电流噪声来提高CPGE电流的探测灵敏度。该探测灵敏度理论上最高可增加2至3个数量级，明显增强CPGE技术的可靠性与优越性。

在半导体二维电子气系统中，存在着两种主要的自旋轨道相互作用(SOI)，即RashbaSOI与Dresselhaus SOI，分别对能带自旋分裂起着重要影响作用。在初级波矢k作用近似下，这两种SOI的密顿函数项表达形式相同，导致半导体二维电子气样品中自旋相关的电学和光学性能呈现出面内各向同性的特点。这是用普通的圆偏振自旋光电流技术难以直接对半导体二维电子气系统中能带自旋分裂决定性机理进行确定的本质原因。但这并不意味着两种SOI之间完全不存在任何差异。理论指出，在考虑高阶波矢k项的差异后可知，Rashba SOI只在布里渊区Γ点(k＝0)处产生自旋简并态，而DresselhausSOI可以在布里渊区内多个k值处产生简并态。压电调制技术具有选择性，即不同性质的电子态受到的调制幅度是不同的。因此，可利用这个特性对布里渊区Γ点之外的自旋简并态施加不同的调制作用，并探测这些自旋简并态对圆偏振光电流的贡献，即达到有效分辨Rashba SOI与Dresselhaus SOI的作用，从而澄清半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理的目的。

通过上述分析，得到半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

①、通过单色圆偏振光源1斜照射半导体二维电子气样品2的上表面，同时开启并设置高压交流信号源4的输出电压强度为500V、输出电压频率为200Hz，高压交流信号源4一方面通过驱动压电陶瓷片3来对半导体二维电子气样品2施加周期性应力作用，另一方面向锁相放大器5提供参考频率信号。

②、利用锁相技术及锁相放大器5测量得到的流经电阻6的电流，即圆偏振总光电流。

③、通过CPGE电流唯象理论与分析方法，从圆偏振总光电流中提取出CPGE电流的强度，并判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。其中，提取出CPGE电流的强度的方法具体为：CPGE电流唯象理论与数学拟合方法，从圆偏振光电流随相位角

变化的曲线，即

曲线中提取得到CPGE电流的强度、周期等信息，该CPGE电流就是圆偏振自旋光电流，其中相位角

为偏振面与1/4波片光轴间的夹角。判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理的具体方法为：首先，在提取出CPGE电流的强度的基础上，以半导体二维电子气样品2的表面法线方向为轴旋转半导体二维电子气样品2，测量半导体二维电子气样品2中圆偏振光电流在不同方位角β时的

曲线，再利用前述方法确定CPGE电流的强度I_C，得到I_C随方位角β的变化曲线，即I_C-β曲线，从而确定CPGE电流各向取向的属性，其中方位角β为ê_||与电极连线间的夹角。然后，施加压电调制作用，采取共面应力压电调制模式，以压电陶瓷片3的驱动信号作为锁相放大器5的主要参考信号，分别按前述步骤测量圆偏振光电流在不同方位角β时的曲线，再通过

曲线得到CPGE电流的强度I_C，并最终得到I_C-β曲线。最后，根据I_C-β曲线上的函数关系偏离正弦函数的相对大小，得到CPGE电流各向取向的变化，从而判定出半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

对于GaN二维电子气样品，选择CPGE测试电路回路中的负载电阻6的阻值为400欧姆，CPGE电流取向由面内各项同性向各向异性发生改变，并且I_C-β曲线振荡幅度偏离正弦函数周期性变化值超过30％，这就确定了GaN二维电子气系统中能带自旋分裂的主导性机理是由于结构反演不对称导致的Rashba SOI引起的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：包括单色圆偏振光源(1)、半导体二维电子气样品(2)、压电陶瓷片(3)、高压交流信号源(4)、锁相放大器(5)和电阻(6)；所述单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)；所述压电陶瓷片(3)对半导体二维电子气样品(2)施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源(4)向压电陶瓷片(3)提供驱动电压；所述电阻(6)与半导体二维电子气样品(2)串联成一个回路；所述锁相放大器(5)检测流经电阻(6)的电流。

2.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述单色圆偏振光源(1)由二极管泵浦的亚纳秒级固体脉冲激光器(8)的线偏振激光斜入射通过四分之一玻片或者电光调制器(9)后产生；所述固体脉冲激光器(8)的型号为HLX-I-F020-000。

3.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述半导体二维电子气样品(2)为半导体GaN二维电子气样品，包括在蓝宝石衬底上依次排列生长的GaN缓冲层、GaN本征层和Al₂₅Ga₇₅N势垒层，其中GaN缓冲层的厚度为1000nm，GaN本征层的厚度为2000nm，Al₂₅Ga₇₅N势垒层的厚度为25nm；所述半导体GaN二维电子气样品的电子气浓度大于10¹³cm^-2，电子迁移率大于1500cm²/Vs；所述半导体GaN二维电子气样品的表面欧姆电极的制备通过电子束蒸发技术蒸渡多层金属薄膜完成。

4.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述压电陶瓷片(3)为按d33方式极化的锆钛酸铅多晶陶瓷片，在厚度方向上施加交变电压，在陶瓷平面上产生应力调制。

5.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述高压交流信号源(4)为普通的自制电压信号源设备，其输出电压范围在0到2000V之间，电压频率的调节范围为10Hz至1kHz之间，并附带频率信号输出端口。

6.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述锁相放大器(5)采用型号为Stanford SR830的通用锁相放大器，频率范围为1mHz到102.4kHz，相位精度为0.01°。

7.半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

①、通过用单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)的同时，利用压电陶瓷片(3)对半导体二维电子气样品(2)施加周期性变化的应力；高压交流信号源(4)向压电陶瓷片(3)提供驱动电压，并且同时向锁相放大器(5)提供参考频率信号；

②、利用锁相技术及锁相放大器(5)测量得到的流经电阻(6)的电流，即圆偏振总光电流；

③、通过CPGE电流唯象理论与分析方法，从圆偏振总光电流中提取出CPGE电流的强度，并判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

8.根据权利要求7所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤①具体为：通过单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)的上表面，同时开启并设置高压交流信号源(4)的输出电压强度为500V、输出电压频率为200Hz，高压交流信号源(4)一方面通过驱动压电陶瓷片(3)来对半导体二维电子气样品(2)施加周期性应力作用，另一方面向锁相放大器(5)提供参考频率信号。

9.根据权利要求7所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤③中提取出CPGE电流的强度的具体方法为：CPGE电流唯象理论与数学拟合方法，从圆偏振光电流随相位角变化的曲线，即

曲线中提取得到CPGE电流的强度、周期等信息，该CPGE电流就是圆偏振自旋光电流，其中相位角

为偏振面与1/4波片光轴间的夹角。

10.根据权利要求7所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤③中判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理的具体方法为：首先，在提取出CPGE电流的强度的基础上，以半导体二维电子气样品(2)的表面法线方向为轴旋转半导体二维电子气样品(2)，测量半导体二维电子气样品(2)中圆偏振光电流在不同方位角β时的

曲线，再利用前述方法确定CPGE电流的强度I_C，得到I_C随方位角β的变化曲线，即I_C-β曲线，从而确定CPGE电流各向取向的属性，其中方位角β为ê_||与电极连线间的夹角；然后，施加压电调制作用，采取共面应力压电调制模式，以压电陶瓷片(3)的驱动信号作为锁相放大器(5)的主要参考信号，分别按前述步骤测量圆偏振光电流在不同方位角β时的

曲线，再通过

曲线得到CPGE电流的强度I_C，并最终得到I_C-β曲线；最后，根据I_C-β曲线上的函数关系偏离正弦函数的相对大小，得到CPGE电流各向取向的变化，从而判定出半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

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