CN105259490B - 一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，按照如下步骤实现：选择符合预设条件的闪锌矿半导体量子阱材料；在相同的生长条件下生长两个不同阱宽的半导体量子阱；分别测量两个半导体量子阱的光致反常霍尔效应电流以及普通光电流信号，得到光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值；分别测量两个半导体量子阱的光致电流效应电流，并对应将分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流分离出来；根据测得的光致反常霍尔电导、普通光电导以及光致电流效应电流列方程，并求解出本征和非本征机制对光致反常霍尔效应电流的贡献。本发明结构设计简单，易于操作，有利于日后推广应用。

Description

一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法

技术领域

本发明涉及半导体自旋电子学领域，具体涉及一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法。

背景技术

电子有两种属性，一种是自旋属性，另一种是电荷属性。由于操作电子自旋要比操作电荷所需要的能量小得多，因此以自旋作为信息载体的自旋电子学引起了人们的广泛关注。自旋轨道耦合提供了一种通过电场来产生和操纵自旋的方法。自旋轨道耦合有两种不同的来源，一种是由体反演不对称性(bulk inversion asymmetry，BIA)引起的Dresselhaus自旋轨道耦合，另一种是由结构反演不对称(structureinversionasymmetry，SIA)引起的Rashba自旋轨道耦合。光致反常霍尔效应提供了一种利用半导体的自旋轨道耦合来实现半导体自旋电子器件的方法。与自旋霍尔效应相似，光致反常霍尔效应也有两种机制，即本征机制和非本征机制。非本征机制是由杂质的非对称Mott-skew散射或side-jump散射引起，本征机制是由体系的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合引起的散射，只与体系的能带结构有关。对于一个给定的体系，通常本征机制和非本征机制都会对光致反常霍尔效应有贡献，而且这两种机制的贡献较难区分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，能够简便快捷且有效的区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，包括以下步骤：

步骤S1：选择符合预设条件的闪锌矿半导体量子阱材料；

步骤S2：在相同的生长条件下生长两个不同阱宽的闪锌矿半导体量子阱，即第一半导体量子阱以及第二半导体量子阱；

步骤S3：分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔效应电流以及普通光电流信号，并对应得到两个半导体量子阱的光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值；

步骤S4：分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致电流效应电流，并对应将分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流分离出来；

步骤S5：根据测得的光致反常霍尔电导、普通光电导以及光致电流效应电流列方程，并求解出本征和非本征机制对光致反常霍尔效应电流的贡献。

在本发明一实施例中，所述步骤S1中所述预设条件为：半导体量子阱材料为闪锌矿结构，且为单晶，半导体量子阱材料的阱宽为1纳米到20纳米。

在本发明一实施例中，所述步骤S3还包括以下步骤：

步骤S31：将被测半导体量子阱沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[110]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距为3mm，即第一圆形电极以及第二圆形电极；在[110]晶向沉积两个大小为0.5×3mm²的条形电极，即第一条形电极以及第二条形电极，电极间距为3mm；

步骤S32：采用一重复频率为80MHz模式锁模的第一Ti-蓝宝石激光器作为光源，通过电脑控制所述第一Ti-蓝宝石激光器，使其输出的光波长为被测半导体量子阱对应第一重空穴子带到第一电子子带跃迁的波长位置；

步骤S33：光源出来的光分别经过第一偏振片、第一光弹性调制器以及第一斩波器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz；光斑的直径为2mm；在第一条形电极以及第二条形电极上加直流电压，电压大小为1伏到50伏，同时将第一圆形电极以及第二圆形电极上的电流引出并接入第一前置放大器以及第一锁相放大器，通过第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电极以及所述第二电极上测得的与所述第一光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将该电流作为光致反常霍尔效应电流；

步骤S34：重复所述步骤S33，测得不同直流电压下的被测导体量子阱的光致反常霍尔效应电流I_AHE，通过公式对应计算出不同直流电压下被测量子阱的光致反常霍尔电导其中，S为光致反常霍尔电流的横截面积，λ表示光的螺旋，表示夹在两条形电极间的电场强度；将不同偏压下的光致反常霍尔电导取平均，得到平均光致反常霍尔电导

步骤S35：通过重复所述步骤S31、所述步骤S32、所述步骤S33以及所述步骤S34，分别测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的平均光致反常霍尔电导，并分别用以及表示；

步骤S36：采用重复频率为80MHz模式锁模的所述第一Ti-蓝宝石激光器作为光源，光源出来的光经过所述第一偏振片、所述第一光弹性调制器以及所述第一斩波器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz；光斑的直径为2mm；此时，打在被测半导体量子阱的光功率以及光的波长与所述步骤S33中打在被测半导体量子阱上的光功率和光波长相同；在所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上施加直流电压，电压大小为0.1伏到50伏，将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极两端的光电流信号接入所述第一前置放大器以及所述第二锁相放大器；最后，通过所述第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上测得的与所述第一斩波器同频率的信号提取出来，并将该电流作为普通光电流信号；

步骤S37：分别用I_PC1和I_PC2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的普通光电流信号，通过公式计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的普通光电导(σ₀)₁和(σ₀)₂，其中，S₂为普通光电流的横截面积，V为加在两个圆电极间的电压，L为两个圆电极间的间距；

步骤S38：分别求出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值，即和

在本发明一实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将被测半导体量子阱沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[100]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距为3mm，即第三圆形电极以及第四圆形电极；

步骤S42：采用一重复频率为80MHz模式锁模的第二Ti-蓝宝石激光器作为光源，光源出来的光经过第二偏振片以及第二光弹性调制器后，入射在被测半导体量子阱的第三圆形电极和第四圆形电极的中心，入射角为30度到45度之间，第二光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长，光斑的直径为2mm，入射光的波长与所述步骤S3中测量光致反常霍尔效应电流以及普通光电流的波长相同；光的入射面沿[010]晶向，将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将此电流作为Rashba自旋轨道耦合引起的光致流电效应电流；

步骤S43：旋转被测半导体量子阱，将光的入射面调整为沿[100]晶向，将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将该电流作为Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致流电效应电流；

步骤S44：重复所述步骤S41至所述步骤S43，测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，分别用I_R1以及I_R2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Rashba自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，用I_D1以及I_D2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流。

在本发明一实施例中，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：以所述第一半导体量子阱作为参考样品，得到比值并记此比值为a₁；

步骤S52：分别计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流的比值，即I_R1/I_D1以及I_R2/I_D2，并分别记此比值为a₂以及a₃；

步骤S53：分别令杂质散射(非本征效应)、Rashba自旋轨道耦合(本征效应)以及Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对所述第一半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献分别为x_s、x_R和x_D，并列出以下方程：

其中，x_R2和x_D2为Rashba自旋轨道耦合(本征效应)和Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献；所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱在相同的条件下生长，除了阱宽不同以外其他参数都相同，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中的杂质水平相当，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中杂质散射对光致反常霍尔电流的贡献相当；所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中的内建电场相当，因此所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的Rashba自旋轨道耦合也相当，即x_R＝x_R2；

步骤S54：求解步骤S53中的方程组，获取杂质散射、Rashba自旋轨道耦合和Dresselhaus自旋轨道耦合对所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献，实现光致反常霍尔效应本征机制以及非本征机制的区分。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，结构设计简单，易于操作，有利于日后推广应用。

2、本发明提供的这种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，能够定量区分出非本征机制和本征机制的贡献。

附图说明

图1为本发明中一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法的流程图。

图2为本发明的实施例中第一半导体量子阱样品的结构示意图。

图3为本发明的实施例中第二半导体量子阱样品的结构示意图。

图4为本发明的实施例中测量半导体量子阱光致反常霍尔效应电流系统示意图。

图5为发明的实施例中测量半导体量子阱光致反常霍尔效应电流的样品和光路分布示意图。

图6为本发明的实施例中测量半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流的测试系统示意图。

图7(a)为本发明的实施例中测量半导体量子阱Rashba自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流的样品和光路分布示意图。

图7(b)为本发明的实施例中测量半导体量子阱Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流的样品和光路分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：选择符合预设条件的闪锌矿半导体量子阱材料；

步骤S2：在相同的生长条件下生长两个不同阱宽的闪锌矿半导体量子阱，即第一半导体量子阱以及第二半导体量子阱；

步骤S3：分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔效应电流以及普通光电流信号，并对应得到两个半导体量子阱的光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值；

步骤S4：分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致电流效应电流，并对应将分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流分离出来；

步骤S5：根据测得的光致反常霍尔电导、普通光电导以及光致电流效应电流列方程，并求解出本征和非本征机制对光致反常霍尔效应电流的贡献。

进一步的，在本实施例中，所述步骤S1中所述预设条件为：半导体量子阱材料为闪锌矿结构，且为单晶，半导体量子阱材料的阱宽为1纳米到20纳米。具体的，本实施例选用的两个半导体量子阱的结构分别如图2、3所示，它是通过分子束外延设备生长的。对于图2所示的第一半导体量子阱而言，101为(001)面半绝缘GaAs衬底，102为200纳米(nm)的GaAs缓冲层，103为100nm的Al_0.3Ga_0.7As势垒层，104为3nm GaAs势阱层，105为10nm的Al_0.33Ga_0.67As势垒层，势阱层104和势垒层105重复20个周期，106为100nm的Al_0.3Ga_0.7As势垒层，107为20nm GaAs盖层。首先在半绝缘001面GaAs衬底101上生长200nm的GaAs缓冲层102，接着生长100nm的Al_0.3Ga_0.7As势垒层103，再生长7nm GaAs势阱层104，然后生长10nm的Al_0.33Ga_0.67As势垒层105，势阱层4和势垒层5重复20个周期，接着依次生长100nm的Al_0.3Ga_0.7As势垒层106和20nm GaAs盖层107。Al_0.3Ga_0.7As、Al_0.33Ga_0.67As、GaAs层的生长温度均为600℃。半导体量子阱样品中所有的材料都没有进行掺杂。

图3所示的第二半导体量子阱，除了GaAs层204的厚度变为7nm以外，其他结构以及生长调节均与第一半导体量子阱完全相同。其中，Al_0.3Ga_0.7As、Al_0.33Ga_0.67As、GaAs层的生长温度均为600℃。

进一步的，在本实施例中，所述步骤S3还包括以下步骤：

步骤S31：将被测半导体量子阱沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[110]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距约为3mm，即第一圆形电极以及第二圆形电极；在[110]晶向沉积两个大小为0.5×3mm2的条形电极，即第一条形电极以及第二条形电极，电极间距约为3mm；

步骤S32：采用一重复频率为80MHz模式锁模的第一Ti-蓝宝石激光器作为光源，通过电脑控制所述第一Ti-蓝宝石激光器，使其输出的光波长为被测半导体量子阱对应第一重空穴子带到第一电子子带跃迁的波长位置；

步骤S33：光源出来的光分别经过第一偏振片、第一光弹性调制器以及第一斩波器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz；光斑的直径为2mm；在第一条形电极以及第二条形电极上加直流电压，电压大小为1伏到50伏，同时将第一圆形电极以及第二圆形电极上的电流引出并接入第一前置放大器以及第一锁相放大器，通过第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电极以及所述第二电极上测得的与所述第一光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，即由圆偏振光引起的信号，并将该电流作为光致反常霍尔效应电流；

步骤S34：重复所述步骤S33，测得不同直流电压下的被测导体量子阱的光致反常霍尔效应电流I_AHE，通过公式对应计算出不同直流电压下被测量子阱的光致反常霍尔电导其中，S为光致反常霍尔电流的横截面积，λ表示光的螺旋形，在本实施例中，λ＝1表示右旋圆偏振光，λ＝-1表示左旋圆偏振光，表示夹在两条形电极间的电场强度；将不同偏压下的光致反常霍尔电导取平均，得到平均光致反常霍尔电导

步骤S35：通过重复所述步骤S31、所述步骤S32、所述步骤S33以及所述步骤S34，分别测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的平均光致反常霍尔电导，并分别用以及表示；

步骤S36：采用重复频率为80MHz模式锁模的所述第一Ti-蓝宝石激光器作为光源，光源出来的光经过所述第一偏振片、所述第一光弹性调制器以及所述第一斩波器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz；光斑的直径为2mm；此时，打在被测半导体量子阱的光功率以及光的波长与所述步骤S33中打在被测半导体量子阱上的光功率和光波长相同；在所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上施加直流电压，电压大小为0.1伏到50伏，将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极两端的光电流信号接入所述第一前置放大器以及所述第二锁相放大器；最后，通过所述第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上测得的与所述第一斩波器同频率的信号提取出来，并将该电流作为普通光电流信号；

步骤S37：分别用I_PC1和I_PC2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的普通光电流信号，通过公式计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的普通光电导(σ₀)₁和(σ₀)₂，其中，S₂为普通光电流的横截面积，V为加在两个圆电极间的电压，L为两个圆电极间的间距；

步骤S38：分别求出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值，即和

较佳的，本实施例还提供了一个测量光致反常霍尔效应电流的系统，如图4所示，图4中，301为可调谐钛蓝宝石Ti:Sapphire激光器，302为第一斩波器，303为第一起偏器，304为第一光弹性调制器，305为半导体量子阱样品，306为电流第一前置放大器，第一锁相放大器307和第二锁相放大器308为两台锁相放大器，309为一台计算机，用以控制钛蓝宝石Ti:Sapphire激光器301和第一光弹性调整器304变换到所需要的波长。图4中入射激发光为垂直入射到样品上。可调谐钛蓝宝石Ti:Sapphire激光器301频率为80MHz，光谱半高宽为7nm，第一斩波器302的斩波频率为229Hz，第一起偏器303的主轴与水平晶向成45度，第一光弹性调制器304的主轴方向沿水平面方向，调制频率为50KHz，305为待测的半导体量子阱样品，将样品沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[110]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距约为3mm，在[110]晶向沉积两个大小为0.5×3mm²的条形电极，电极间距约为3mm。铟电极沉积完成后，在420摄氏度下氮气氛围中退火10分钟。从钛蓝宝石激光器301出来的光，经过第一斩波器302，再经过第一起偏器303变成线偏振光，其偏振方向与水平方向成45度，然后经过第一光弹性调制器304，照射在样品305上。打在样品上的光在840nm处的功率为47mW。实验过程中，通过计算机309控制钛蓝宝石激光器301和第一光弹性调制器304变换到所需波长。第一光弹性调制器304的一倍频调制频率为50KHz，位相延迟为四分之一波长，这样经过第一光弹性调制器304后，光的偏振状态就会在左旋圆偏振和右旋圆偏振之间周期性的振荡，且振荡频率为50KHz。照射在样品上的光斑为高斯光斑，光斑直径约为2mm。入射光垂直打在样品上。在被测样品的两个条形电极上施加一个直流偏压，偏压的大小从1伏变到11伏，步长为2伏。将两个圆形电极上的电流引出并接入第一前置放大器306和第一锁相放大器307。第一锁相放大器307的参考信号为光弹性调制器304的一倍频参考信号，故其测量由光弹性调制器调制的一倍频信号，即由圆偏振光激发产生的光电流信号，此信号即为光致反常霍尔效应电流的信号。测量一组偏压下的光致反常霍尔效应电流，即偏压从1伏变到11伏，步长为2伏，由公式计算出不同偏压下的光致反常霍尔光电导然后取平均，得到样品最终的平均光致反常霍尔光电导公式中，S为光致反常霍尔电流的横截面积，λ表示光的螺旋形，λ＝1表示右旋圆偏振光，λ＝-1表示左旋圆偏振光，表示夹在两条形电极间的电场强度。用以上方法分别测得第一半导体量子阱和第二半导体量子阱的平均光致反常霍尔电导，分别记为和

接着测量第一半导体量子阱和第二半导体量子阱的普通光电导。测试系统如图4所示，从钛蓝宝石激光器301出来的光，经过第一斩波器302，再经过第一起偏器303变成线偏振光，其偏振方向与水平方向成45度，然后经过第一光弹性调制器304，垂直照射在样品305上。实验中通过计算机309将钛蓝宝石激光器301和第一光弹性调制器304的工作波长调节到与之前测光致反常霍尔电导相同的波长位置，且光强和光斑形状大小也与之前测光致反常霍尔电导的相同。在两个圆形电极上施加直流偏压，本实验中我们施加的直流偏压为1.5V。将两个圆形电极上的电流引出接入第一前置放大器306和第二锁相放大器308。第二锁相放大器308的参考信号来自第一斩波器302，故其测量由第一斩波器302调制的信号，即普通的光电流信号接着，用公式计算出第一半导体量子阱和第二半导体量子阱的普通光电导(σ₀)₁和(σ₀)₂。其中，S₂为普通光电流的横截面积，V为加在两个圆电极间的电压，L为两个圆电极间的间距。

进一步的，本实施例还提供了测量半导体量子阱光致反常霍尔效应的样品和光路分布示意图，具体地，如图5所示，401为样品，402为条形电极，403为圆形电极，404为光斑，405为光弹性调制器，406为偏振片，407为外加直流电源。图中入射光为垂直入射到样品上。样品401沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[110]晶向上沉积两个圆形的铟电极403，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距约为3mm，在[110]晶向沉积两个大小为0.5×3mm²的条形电极402，电极间距约为3mm。铟电极沉积完成后，在420摄氏度下氮气氛围中退火10分钟。

进一步的，在本实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将被测半导体量子阱沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[100]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距约为3mm，即第三圆形电极以及第四圆形电极；

步骤S42：采用一重复频率为80MHz模式锁模的第二Ti-蓝宝石激光器作为光源，光源出来的光经过第二偏振片以及第二光弹性调制器后，入射在被测半导体量子阱的第三圆形电极和第四圆形电极的中心，入射角为30度到45度之间，第二光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长，光斑的直径为2mm，入射光的波长与所述步骤S3中测量光致反常霍尔效应电流以及普通光电流的波长相同；光的入射面沿[010]晶向，将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号(即由圆偏振光引起的信号)提取出来，并将此电流作为Rashba自旋轨道耦合引起的光致流电效应电流；

步骤S43：旋转被测半导体量子阱，将光的入射面调整为沿[100]晶向，将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号(即由圆偏振光引起的信号)提取出来，并将该电流作为Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致流电效应电流；

步骤S44：重复所述步骤S41至所述步骤S43，测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，分别用I_R1以及I_R2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Rashba自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，用I_D1以及I_D2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流。

进一步的，在本实施例中，如图6所示，还提供了一个测量半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流的系统，图6中，501为可调谐钛蓝宝石Ti:Sapphire激光器，502为第二斩波器，503为第二起偏器，504为第二光弹性调制器，505为半导体量子阱样品，506为电流第二前置放大器，第三锁相放大器507和第四锁相放大器508为两台锁相放大器，509为一台计算机，用以控制钛蓝宝石Ti:Sapphire激光器501和光弹性调整器504变换到所需要的波长。图6于图4的区别是，图6中的入射激发光的入射角为30-45度之间，图4为垂直入射，图6中样品上没有施加外加偏压，图4中条形电极上施加外加直流偏压。其中，可调谐钛蓝宝石Ti:Sapphire激光器501频率为80MHz，光谱半高宽为7nm，第二斩波器502的斩波频率为229Hz，第二起偏器503的主轴与水平方向成45度，第二光弹性调制器504的主轴方向沿水平面方向，调制频率为50KHz，样品505为待测的半导体量子阱样品，样品沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²，沿[100]晶向沉积了一对铟电极，电极间距为3mm，铟电极沉积完成后，在420摄氏度下氮气氛围中退火10分钟。从钛蓝宝石激光器501出来的光，经过第二斩波器502，再经过第二起偏器503变成线偏振光，其偏振方向与水平方向成45度，然后经过第二光弹性调制器504，照射在样品505上。打在样品上的光在840nm处的功率为47mW。实验过程中，通过计算机509控制钛蓝宝石激光器501和第二光弹性调制器504变换到所需波长。第二光弹性调制器504的一倍频调制频率为50KHz，位相延迟为四分之一波长，这样经过第二光弹性调制器504后，光的偏振状态就会在左旋圆偏振和右旋圆偏振之间周期性的振荡，且振荡频率为50KHz。照射在样品上的光斑为高斯光斑，光斑直径约为2mm。入射光的入射角在30-45度之间，在本实施例中，采用30度的入射角。样品在光照下将产生大量的光生载流子，这些光生载流子经过电流第二前置放大器506放大以后，分别接入两台锁相放大器507和508。第三锁相放大器507的参考信号为第二光弹性调制器504的一倍频参考信号，故其测量由光弹性调制器调制的一倍频信号，即由圆偏振光激发产生的光电流信号，即为光致流电效应电流。第四锁相放大器508的参考信号来自第二斩波器502，故其测量由斩波器调制的信号，即普通的光电流信号。

进一步的，在本实施例中，还提供了测量半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流的样品和光路分布示意图，图7中，601为入射激发光，602为待测半导体量子阱样品，603为样品上的铟电极，604为打在样品上光斑，605为样品的法线方向，606为由Rashba自旋轨道耦合诱导的光电流I_R，607为由Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的光电流I_D。其中，图7(a)为测量半导体量子阱Rashba自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流的样品和光路分布示意图，图7(b)为测量半导体量子阱Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的光致流电效应电流样品和光路分布示意图。在图7(a)中，入射面平行于样品的[010]晶向，入射光线与样品法线方向的夹角为30度，这样沿[100]晶向测得的由圆偏振光激发产生，即由光弹性调制器调制的一倍频信号，由第三锁相放大器507测得的光电流，记为I_R，是由半导体量子阱Rashba自旋轨道耦合引起，其强度正比于Rashba自旋轨道耦合。I_R可以表示为：

I_R∝ατ_pP_cM (1)

其中，α为Rashba自旋轨道耦合参数，其强度正比于Rashba自旋轨道耦合的强度，τ_P为动量弛豫时间，P_c为入射激发光的圆偏振度，在本实施例中，由于采用的是圆偏振光，故圆偏振度P_c＝1，M为入射激发光的强度。

在图7(b)中，入射面平行于样品的[100]晶向，入射光线与样品法线方向的夹角为30度，这样沿[100]晶向测得的由圆偏振光激发产生的光电流，记为I_D，是由半导体量子阱Dresselhaus自旋轨道耦合引起，即由光弹性调制器调制的一倍频信号由第三锁相放大器507测得，其强度正比于Dresselhaus自旋轨道耦合。I_D可以表示为：

I_D∝βτ_pP_cM (2)

其中，β为Dresselhaus自旋轨道耦合参数，其强度正比于Dresselhaus自旋轨道耦合的强度。这样，由公式(1)和(2)可以看出，从测得的光电流I_R和I_D可以获得所测的半导体量子阱样品的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的比值，即：

由于Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数分别正比于Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度，因此，I_R/I_D即为Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值。

进一步的，在本实施例中，在测量半导体量子阱样品分别由Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流时，首先需要电脑控制可调谐钛蓝宝石激光器将波长调到与之前光致反常霍尔效应电流相同的波长位置，然后分别采用如图7(a)和7(b)所示的光路和图6所示的测量系统测得量子阱样品的分别由Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，分别记为I_R和I_D。采用以上方法，分别测得第一半导体量子阱以及第二半导体量子阱由Rashba自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，分别用I_R1和I_R2表示，测得第一半导体量子阱以及第二半导体量子阱由Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，分别用I_D1和I_D2表示。

进一步的，在本实施例中，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：以所述第一半导体量子阱作为参考样品，得到比值并记此比值为a₁；

步骤S52：分别计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流的比值，即I_R1/I_D1以及I_R2/I_D2，并分别记此比值为a₂以及a₃；

步骤S53：分别令杂质散射(非本征效应)、Rashba自旋轨道耦合(本征效应)以及Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对所述第一半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献分别为x_s、x_R和x_D，并列出以下方程：

其中，x_R2和x_D2为Rashba自旋轨道耦合(本征效应)和Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献；所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱在相同的条件下生长，除了阱宽不同以外其他参数都相同，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中的杂质水平相当，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中杂质散射对光致反常霍尔电流的贡献相当；所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中的内建电场相当，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的Rashba自旋轨道耦合也相当，即x_R＝x_R2；

步骤S54：求解步骤S53中的方程组，获取杂质散射(非本征效应)、Rashba自旋轨道耦合(本征效应)和Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献，实现光致反常霍尔效应本征机制以及非本征机制的区分。

进一步的，在本实施例中，选用的激发波长为对应量子阱样品第一重空穴到第一电子跃迁的能量位置。从以上测试步骤得到第一半导体量子阱以及第二半导体量子阱的光致反常霍尔电导对普通光电导的比值分别为：5.92和7.16。若将第一半导体量子阱作为参考样品，则比值第一半导体量子阱的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值为：a₂＝I_R1/I_D1＝0.79，第二半导体量子阱的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值为：a₃＝I_R2/I_D2＝0.5。分别令杂质散射(非本征效应)、Rashba自旋轨道耦合(本征效应)和Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献为x_s、x_R和x_D，可列出以下方程：

其中，x_R2和x_D2为Rashba自旋轨道耦合(本征效应)和Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对样品2的光致反常霍尔电流的贡献。这里利用了以下两个条件：样品1和样品2在相同的条件下生长，除了阱宽不同以外其他参数都相同，这将使得(1)样品1和样品2中的杂质水平相当，因此样品1和样品2中杂质散射对光致反常霍尔电流的贡献相当；(2)样品1和样品2中的内建电场相当，从而它们的Rashba自旋轨道耦合也相当，即x_R＝x_R2。

求解以上方程组，即可得到杂质散射(非本征效应)、Rashba自旋轨道耦合(本征效应)和Dresselhaus自旋轨道耦合(本征效应)对样品1的光致反常霍尔电流的贡献分别为X_s＝0.36、X_R＝0.28和X_D＝0.36，即实现了区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的目的。

综上所述，本发明通过测量在同一条件下生长的不同阱宽的量子阱样品的光致反常霍尔效应和光致流电效应，将光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制进行了区分。通过这种方法可以定量分离出本征机制和非本征机制对光致反常霍尔效应的贡献。本发明提供的方法实现方便，结构设计简单，成本低，效果好。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：选择符合预设条件的闪锌矿半导体量子阱材料；

步骤S2：在相同的生长条件下生长两个不同阱宽的闪锌矿半导体量子阱，即第一半导体量子阱以及第二半导体量子阱；

步骤S3：分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔效应电流以及普通光电流信号，并对应得到两个半导体量子阱的光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值；

步骤S4：分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致电流效应电流，并对应将分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流分离出来；

步骤S5：根据测得的光致反常霍尔电导、普通光电导以及光致电流效应电流列方程，并求解出本征和非本征机制对光致反常霍尔效应电流的贡献。

2.根据权利要求1所述的一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，其特征在于，所述步骤S1中所述预设条件为：半导体量子阱材料为闪锌矿结构，且为单晶，半导体量子阱材料的阱宽为1纳米到20纳米。

3.根据权利要求1所述的一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤：

步骤S31：将被测半导体量子阱沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[110]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距为3mm，即第一圆形电极以及第二圆形电极；在[110]晶向沉积两个大小为0.5×3mm²的条形电极，即第一条形电极以及第二条形电极，电极间距为3mm；

步骤S32：采用一重复频率为80MHz模式锁模的第一Ti-蓝宝石激光器作为光源，通过电脑控制所述第一Ti-蓝宝石激光器，使其输出的光波长为被测半导体量子阱对应第一重空穴子带到第一电子子带跃迁的波长位置；

步骤S33：光源出来的光分别经过第一偏振片、第一光弹性调制器以及第一斩波器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz；光斑的直径为2mm；在第一条形电极以及第二条形电极上加直流电压，电压大小为1伏到50伏，同时将第一圆形电极以及第二圆形电极上的电流引出并接入第一前置放大器以及第一锁相放大器，通过第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上测得的与所述第一光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将该电流作为光致反常霍尔效应电流；

步骤S34：重复所述步骤S33，测得不同直流电压下的被测导体量子阱的光致反常霍尔效应电流I_AHE，通过公式对应计算出不同直流电压下被测量子阱的光致反常霍尔电导其中，S为光致反常霍尔电流的横截面积，λ表示光的螺旋，表示夹在两条形电极间的电场强度；将不同偏压下的光致反常霍尔电导取平均，得到平均光致反常霍尔电导

步骤S35：通过重复所述步骤S31、所述步骤S32、所述步骤S33以及所述步骤S34，分别测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的平均光致反常霍尔电导，并分别用以及表示；

步骤S36：采用重复频率为80MHz模式锁模的所述第一Ti-蓝宝石激光器作为光源，光源出来的光经过所述第一偏振片、所述第一光弹性调制器以及所述第一斩波器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz；光斑的直径为2mm；此时，打在被测半导体量子阱的光功率以及光的波长与所述步骤S33中打在被测半导体量子阱上的光功率和光波长相同；在所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上施加直流电压，电压大小为0.1伏到50伏，将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极两端的光电流信号接入所述第一前置放大器以及第二锁相放大器；最后，通过所述第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上测得的与所述第一斩波器同频率的信号提取出来，并将该电流作为普通光电流信号；

步骤S37：分别用I_PC1和I_PC2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的普通光电流信号，通过公式计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的普通光电导(σ₀)₁和(σ₀)₂，其中，S₂为普通光电流的横截面积，V为加在两个圆电极间的电压，L为两个圆电极间的间距；

步骤S38：分别求出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱光致反常霍尔电导对普通光电导信号的比值，即和

4.根据权利要求1所述的一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将被测半导体量子阱沿[110]和[110]晶向解理成4×4mm²的方块，在[100]晶向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径1mm的圆形电极，电极间距为3mm，即第三圆形电极以及第四圆形电极；

步骤S42：采用一重复频率为80MHz模式锁模的第二Ti-蓝宝石激光器作为光源，光源出来的光经过第二偏振片以及第二光弹性调制器后，入射在被测半导体量子阱的第三圆形电极和第四圆形电极的中心，入射角为30度到45度之间，第二光弹性调制器的位相延迟为0.25个波长，光斑的直径为2mm，入射光的波长与所述步骤S3中测量光致反常霍尔效应电流以及普通光电流的波长相同；光的入射面沿[010]晶向，将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将此电流作为Rashba自旋轨道耦合引起的光致流电效应电流；

步骤S43：旋转被测半导体量子阱，将光的入射面调整为沿[100]晶向，将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将该电流作为Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致流电效应电流；

步骤S44：重复所述步骤S41至所述步骤S43，测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，分别用I_R1以及I_R2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Rashba自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，用I_D1以及I_D2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Desselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流。

5.根据权利要求1所述的一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51：以所述第一半导体量子阱作为参考样品，得到比值并记此比值为a₁；

步骤S52：分别计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流的比值，即I_R1/I_D1以及I_R2/I_D2，并分别记此比值为a₂以及a₃；

步骤S53：分别令杂质散射、Rashba自旋轨道耦合以及Dresselhaus自旋轨道耦合对所述第一半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献分别为x_s、x_R和x_D，并列出以下方程：

其中，x_R2和x_D2为Rashba自旋轨道耦合和Dresselhaus自旋轨道耦合对所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献；所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱在相同的条件下生长，除了阱宽不同以外其他参数都相同，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中的杂质水平相当，所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中杂质散射对光致反常霍尔电流的贡献相当；所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱中的内建电场相当，因此所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的Rashba自旋轨道耦合也相当，即x_R1＝x_R2；

步骤S54：求解步骤S53中的方程组，获取杂质散射、Rashba自旋轨道耦合和Dresselhaus自旋轨道耦合对所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反常霍尔电流的贡献，实现光致反常霍尔效应本征机制以及非本征机制的区分。