CN111208402B - 一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合参数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合参数的方法属于半导体自旋电子学技术领域。具体步骤包括：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；将步骤样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。本发明提供的调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法可行性高，而且可以原位进行，不需要制备新的样品，能够分别实现两种参数的独立调控，调控效果显著。
Description
技术领域
本发明属于半导体自旋电子学技术领域，具体涉及一种独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的方法。
背景技术
随着自旋电子学的发展，对电子自旋特性的研究成为当前凝聚态物理领域最热门的研究方向。具有相对论效应的自旋轨道耦合能够将电子的自旋和轨道运动紧密联系起来，进而可利用自旋轨道耦合作用实现对电子自旋的全电学操控并制备自旋场效应晶体管和量子比特。半导体化合物构成的量子阱中自旋轨道耦合相互作用主要由两部分组成：一种是由于材料缺乏体反演对称中心而产生的Dresselhauss效应，包含波矢的线性项和立方项两部分，其强度分别由参数β和γ决定(其中β＝γkz 2，kz反比于量子阱的宽度)；另一种是由量子阱内的电子波函数非对称性引发的Rashba效应，只对应于波矢的线性项，其强度由参数α决定。研究表明，当线性项α和β的绝对值相等时，电子自旋弛豫将被完全抑制，从而解决了强自旋轨道耦合作用所带来的短自旋耗散长度的问题。有鉴于此，实现对不同自旋轨道耦合参数α和γ的独立调控将对于自旋电子器件的研发以及许多自旋轨道相关实验现象的深入研究都具有非常重要的意义。
迄今，人们对半导体量子阱自旋轨道耦合的调控进行过许多尝试：利用GaAs电场诱导载流子分布导致的能谷相变可以实现对自旋轨道耦合的电场调控：但该调控是不连续的且很难在其它材料中实现，不具有普适性；利用合金中元素的比例调整来改变材料的自旋轨道耦合：但该调控不是原位进行的且所制备的样品因组分不同而引入缺陷和杂质，进而使问题复杂化并不利于定量分析；通过改变量子阱宽是独立调控Dresselhaus自旋轨道耦合参数的有效方法：但该方法需要制备不同量子阱样品，成本较高且不能进行原位调控；通过光照和变温可以实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合比值的调控：但该方法需要改变样品温度才能实现调控，而且不能实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控；通过栅极电压改变样品限制层结构的对称性通常认为是独立调控半导体量子阱Rashba参数α的可行性方法：但该技术仅限于α占主导的样品，因为电子密度的变化同样会影响Dresselhaus参数γ；压力是原位调控自旋轨道耦合参数的有效方法：但是由压力导致的材料能带结构的改变会引起α和γ的同时变化，因此压力本身并不能实现上述两种自旋轨道耦合参数的独立调控。
综上，目前对半导体量子阱自旋轨道耦合强度的调控还有待进一步完善。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结合压力和栅极两种实验技术来实现独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法，该方法可行性高，可以原位进行，并且调控效果显著。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；
步骤S2：将步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；
步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。
进一步地，在步骤S1中，半导体量子阱材料为非对称掺杂的化合物半导体；半导体量子阱样品要制备成霍尔条形器件并具备可控金属栅极。
进一步地，在步骤S2中，所述电测量高压腔能够实现样品的电阻测量；霍尔条形器件电极与高压腔引线间用导电银胶连接；高压腔中封入液态传压介质用以保护样品和对样品施加压力；所述压力为静水压力；压腔中装入发光二极管用以照射样品；利用微控型液压机改变压腔内的压力；利用电压源在金属栅极上施加电压。
进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将步骤S2中所述电测量高压腔置于低温综合物性测试设备中，将样品温度从室温缓慢降至低温，测量样品在零磁场附近的磁阻变化，得到由自旋轨道耦合作用引起的反弱局域化磁阻信号，注意所述低温以能够观测到清晰的反弱局域化磁阻信号为准；
步骤S32：利用反弱局域化理论中广泛采用的Iordanskii,Lyanda-Geller,andPikus(ILP)模型对步骤S31中测得的实验数据进行拟合，得到拟合参数HR和HD，并通过公式
和
计算Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhauss自旋轨道耦合强度参数γ，其中
为约化普朗克常数，m*为有效质量，e为电子电荷，ns为量子阱的载流子密度；
步骤S33：通过改变压力和栅极电压，实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数α和γ的独立调控。
相较于现有的技术，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法可行性高，而且可以原位进行，不需要制备新的样品。
2、本发明提供的调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法能够分别实现两种参数的独立调控，并且调控效果显著。
附图说明
图1是本发明的实施例中InSb量子阱样品的层状结构示意图。
图2是本发明的实施例中所使用电测量高压腔的结构示意图
图3是InSb量子阱器件在高压腔内的组装示意图。
图4是本发明的实施例中在压力P＝1.15GPa，不同栅极电压条件下测得的反弱局域化实验结果和相应的理论拟合结果。
图5在栅极电压V＝-3V时，不同压力条件下测得的反弱局域化实验结果和相应的理论拟合结果。
图6是本发明的实施例中通过压力和栅极电压对Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数α和γ进行调控的结果。
具体实施方式
实施例1本发明的总体过程
下面结合附图，对本发明的整体技术方案进行具体说明。本发明为一种独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法。通过同时改变样品的压力和栅极电压，可实现对InSb量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数α和γ的独立调控，具体包括如下步骤，
步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；
步骤S2：将所述步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；
步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。
实施例2步骤S1的具体实施
步骤S1所选用的样品为InSb量子阱，其层状结构示意图如图1所示，从下到上依次为(001)面半绝缘GaAs衬底，4微米(μm)的Al0.1In0.9Sb和Al0.2In0.8Sb交替生长的缓冲层，20纳米(nm)的Al0.2In0.8Sb势垒层，20nm的InSb量子阱，15nm的Al0.2In0.8Sb势垒层，Siδ-掺杂，5nm的Al0.2In0.8Sb势垒层，10nm的Al0.1In0.9Sb势垒层，Siδ-掺杂，20nm的Al0.1In0.9Sb势垒层，10nm的InSb表面层，40nmAl2O3绝缘层，金属栅极。步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11：用分子束外延法在(001)面GaAs衬底上生长InSb量子阱样品，样品的生长过程如下：首先在GaAs衬底上生长4μm厚的Al0.1In0.9Sb和Al0.2In0.8Sb缓冲层，再生长厚度为20nm的Al0.2In0.8Sb势垒层和20nm的InSb量子阱，然后生长厚度为15nm的Al0.2In0.8Sb势垒层。进行Si-δ掺杂后生长厚度为5nm的Al0.2In0.8Sb和10nm厚的Al0.1In0.9Sb势垒层。再次进行Si-δ掺杂后生长厚度为20nm的Al0.1In0.9Sb势垒层和10nm厚的InSb表面层。注意到所述InSb量子阱样品为单晶InSb/AlxIn1-xSb异质结，并进行了非对称Si-δ掺杂。
步骤S12：利用光刻蚀技术将InSb量子阱制备成霍尔条形器件并蒸镀铟金属电极，使器件具有良好的欧姆导电特性。所述霍尔条形器件的长为100微米，宽为30微米。
步骤S13：制备可控金属栅极。利用原子层沉积技术在器件表面生长40纳米Al2O3绝缘层，之后在绝缘层上沉积金属栅极，选用具备可控金属栅极的样品(要求漏电流小于10- 8nA)。
实施例3步骤S2的具体实施
所述步骤S2中使用的活塞套筒型电测量高压腔的结构示意图如图2所示，1为加压螺栓，2为加压活塞，3为压机套筒，4为上密封垫圈，5为Teflon压腔，6为量子阱样品及相应组件，7为下密封垫圈，8为支撑托块，9为底部支撑螺栓，10为导线贯通孔，11为传压介质，12为导线贯通柱。其中，量子阱样品及相应组件6如图3所示，在图3中61为半导体量子阱器件，62为导线，63为样品支撑板，64为发光二极管，65为导电银胶，66为密封胶。步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：将步骤S1中所述量子阱样品和发光二极管一并装入如图2所示电测量高压腔中，具体组装过程见图3，发光二极管不仅作为样品支撑架还可用于低温时照射样品以提高量子阱电子密度。将样品电极、金属栅极和发光二极管电极分别与导线贯通柱中的导线用导电银胶连接，保证其导电性。将传压介质充入Teflon压腔中并把导线贯通柱中组装样品部分完全放进Teflon压腔中，注意需要用下密封垫圈密封样品腔，防止传压介质泄露。最后，按照图2所示将Teflon压腔放入套筒内并组装电测量高压腔。
步骤S22：利用液压机通过加压活塞对组装好的电测量高压腔施加压力，当压力稳定后拧紧加压螺栓以保持压力恒定；本实施例中所施加的压力分别为0.06GPa，0.49GPa，0.86GPa，1.15GPa和1.53GPa。
步骤S23：利用电压源对霍尔条形器件金属栅极施加电压，本实施例中所施加的栅极电压范围为从0V到-4V。
步骤S24：由于量子阱的载流子密度ns会随着压力和栅极电压而发生变化，本专利利用霍尔电阻Rxy和磁场B的关系
来确定不同压力、栅极电压条件下的ns。
实施例4步骤S3的具体实施
所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：将步骤S2中所述电测量高压腔置于低温综合物性测试设备中，将样品温度从室温缓慢降至低温，测量样品在零磁场附近的磁阻变化，得到由自旋轨道耦合作用引起的反弱局域化磁阻信号。注意所述低温条件以能够观测到清晰的反弱局域化磁阻信号为准，本实施例中的测试温度为4K。由于增加压力或减小栅极电压都会减小量子阱样品的电子密度ns，因此当ns过低而导致观测不到反弱局域化磁阻信号时，可采用发光二极管照射量子阱样品以增加其电子密度。
步骤S32：利用反弱局域化理论中广泛采用的Iordanskii,Lyanda-Geller,andPikus(ILP)模型对实验数据进行拟合，得到拟合参数HR和HD，并通过公式
和
计算Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhauss自旋轨道耦合强度参数γ，其中
为约化普朗克常数，m*为有效质量，e为电子电荷。
步骤S33：通过同时改变压力和栅极电压，实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数α和γ的独立调控。进一步地，本实施例中压力的调控范围为从0GPa到1.53GPa，栅极电压的调控范围为从0V到-4V。
具体地，图4和图5是本发明的实施例中在不同压力和栅极电压条件下测得的部分代表性反弱局域化实验结果。在图4和图5中，离散圆点为实验测得的反弱局域化数据，实线为利用反弱局域化理论的ILP模型对相应实验数据进行拟合的结果。图4为压力P＝1.15GPa时不同栅极电压条件下的实验结果，从下到上栅极电压依次为V＝0V，V＝-0.5V，V＝-1.5V。由图4可知，随着栅极电压减小，反弱局域化磁阻信号的幅值逐渐减小并最终消失，这表明随着栅极电压的减小，自旋轨道耦合强度也在减小。图5为栅极电压V＝-3V时不同压力的实验结果，从下到上压力依次为P＝0.06GPa，P＝0.49GPa，P＝0.86GPa。由图5可知，随着压力的增加，反弱局域化磁阻信号的幅值逐渐减小并最终消失，这表明压力的增加同样也会使自旋轨道耦合强度减小。图4和图5中的实验数据表明，压力和栅极电压都是调控InSb量子阱自旋轨道耦合强度的有效方法。
进一步地，按照步骤S32对反弱局域化实验数据进行拟合(见图4和图5中的实线)并确定不同压力和栅极电压条件下的Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhauss自旋轨道耦合强度参数γ。图6是本发明的实施例中通过压力和栅极电压对Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数α和γ分别进行独立调控的结果，其中α和γ随着压力和栅极电压(等价于电子密度ns)的改变都发生显著变化。在图6中，上半部分的图为Rashba自旋轨道耦合参数α随压力和电子密度的依赖关系，下半部分的图为Dresselhaus自旋轨道耦合参数γ随压力和电子密度的依赖关系，图中相同压力的实验数据用相同形状的符号表示。
实施例5自旋轨道耦合强度参数α和γ的独立调控过程
下面结合图6具体阐述如何实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数α和γ的独立调控：
(1)Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数γ的独立调控
通过对比不同压力和栅极电压条件下Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的变化说明如何实现对Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数γ的独立调控。定义以下两个不同实验条件：
实验条件1：压力P＝0.45GPa，栅极电压V＝0V(对应电子密度ns＝3.5×1015m-2)；
实验条件2：压力P＝0.06GPa和栅极电压V＝-4V(对应电子密度ns＝2.4×1015m-2)。
如图6所示，在实验条件1和实验条件2两种实验条件下得到的Rashba自旋轨道耦合强度参数相等
但是Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数从
(实验条件1)增加到
(实验条件2)。可见，从实验条件1到实验条件2，在保持Rashba自旋轨道耦合强度参数α不变的情况下，Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数γ独自增加了94％，从而说明本发明实施例实现了对γ的独立调控。
(2)Rashba自旋轨道耦合强度参数α的独立调控
通过对比不同压力和栅极电压条件下Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的变化说明如何实现Rashba自旋轨道耦合强度参数α的独立调控。定义以下两个不同实验条件：
实验条件1：压力P＝0.45GPa，栅极电压V＝0V(对应电子密度ns＝3.5×1015m-2)；
实验条件3：压力P＝1.53GPa和栅极电压V＝-0.5V(对应电子密度ns＝2.64×1015m-2)。
如图6所示，在实验条件1和实验条件3两种条件下得到的Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数相等
但是Rashba自旋轨道耦合强度参数从
(实验条件1)减小到
(实验条件3)。可见，从实验条件1到实验条件3，在保持Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数γ不变的情况下，Rashba自旋轨道耦合强度参数α独自减小了81％，从而说明本发明实施例实现了对α的独立调控。
综上所述，结合压力和栅极电压两种实验技术本专利可以分别实现InSb量子阱Rashba自旋轨道耦合强度参数α和是Dresselhauss自旋轨道耦合强度参数γ的原位独立调控，并且调控效果非常显著。
从上述发明实施例中可以看出，本发明提供了一种独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法。本方法的实现比较方便，可行性高，可以原位进行，并且调控效果非常显著。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和成果进行了详尽的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；
步骤S2：将步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；
步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数γ，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控，步骤如下：
步骤S31：将步骤S2中所述电测量高压腔置于低温综合物性测试设备中，将样品温度从室温缓慢降至低温，测量样品在零磁场附近的磁阻变化，得到由自旋轨道耦合作用引起的反弱局域化磁阻信号，注意所述低温以能够观测到清晰的反弱局域化磁阻信号为准；
步骤S32：利用反弱局域化理论中广泛采用的Iordanskii,Lyanda-Geller,and Pikus模型对步骤S31中测得的反弱局域化磁阻信号进行拟合，得到拟合参数HR和HD，并通过
和
计算Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhauss自旋轨道耦合强度参数γ，其中
为约化普朗克常数，m*为有效质量，e为电子电荷，ns为量子阱的载流子密度；
步骤S33：通过改变压力和栅极电压，实现Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数γ的独立调控。
2.根据权利要求1所述的一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，其特征在于，在步骤S1中，半导体量子阱材料为非对称掺杂的化合物半导体；半导体量子阱样品要制备成霍尔条形器件并具备可控金属栅极。
3.根据权利要求1所述的一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述电测量高压腔能够实现样品的电阻测量；霍尔条形器件电极与高压腔引线间用导电银胶连接；高压腔中封入液态传压介质用以保护样品和对样品施加压力；所述压力为静水压力；压腔中装入发光二极管用以照射样品；利用微控型液压机改变压腔内的压力；利用电压源在金属栅极上施加电压。
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