CN115327456A - 一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法，包括以下步骤：步骤1，建立测试系统，将待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品放入测试系统中；步骤2，测量n型掺杂的GaAs半导体样品的自旋霍尔角。本发明利用霍尔效应将逆自旋霍尔效应进行归一化，可以扣除测试光斑面积、测试光斑位置，电极位置和大小，以及外接测试源表引入的不确定性。使测试结果的可靠性更高。

Description

一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法

技术领域

本发明涉及半导体自旋电子学领域，具体涉及一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法。

背景技术

在自旋电子学中，自旋被作为信息存储和传输的载体，因此，产生、操纵以及探测自旋流始终是实现自旋电子器件的最基本和最关键的科学问题。随着人们的广泛研究，目前已经发展了多种产生自旋流的技术，如非局域电注入自旋流技术，基于铁磁共振的自旋泵浦效应的自旋流注入技术，基于自旋塞贝克效应的自旋流技术，采用圆偏振光注入自旋流技术等。在自旋流的操纵研究中，自旋霍尔角作为一个判定自旋流和电流转换大小的参数十分重要。

测定自旋霍尔角目前常用的办法是基于铁磁共振自旋泵浦技术，将铁磁薄膜材料和非磁性薄膜材料沉积在一起，铁磁材料在铁磁共振时磁矩进动从而在非磁性金属内注入自旋流，由于逆自旋霍尔效应，即基于自旋轨道耦合作用，自旋相反的电子向垂直于自旋流的方向偏转，自旋电子的定向移动形成电荷流，从而在非磁性金属材料内自旋流转化为电荷流，通过检测样品两端电压则可以表征出自旋流的大小，从而为进一步研究材料结构的自旋霍尔角提供依据和指导。磁共振自旋泵浦技术是目前自旋霍尔角常用的测量方法，但是存在以下问题：第一需要制备铁磁薄膜样品，在制备样品过程中引入铁磁层作为自旋泵浦源，制作工艺复杂，第二是需要共振微波磁场来进行测试，实验设备昂贵。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法，包括以下步骤：

步骤1，建立测试系统，将待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品放入测试系统中；

步骤2，测量n型掺杂的GaAs半导体样品的自旋霍尔角。

步骤1中，所述测试系统包括可调谐激光器、斩波器、起偏器、四分之一波片、电磁铁、电流放大器和锁相放大器。

步骤1中，所述可调谐激光器射出的激光经过斩波器调频后，再经过起偏器，变成一个四十五度偏振的线偏振光，经过四分之一波片，通过旋转四分之一波片，能够周期性的产生线偏振光、左圆偏振光、右圆偏振光。

步骤1中，将待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品放置在垂直可变磁场的电磁铁中，施加一个垂直于样品表面的电磁场。

步骤1中，所述待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品为长条形，两条形电极分别在样品的两短边，两圆形电极分别在样品两长边的垂直平分线上。

步骤2中，利用步进电机控制四分之一波片的旋转速度，将经过四分之一波片偏振调制的光斑照射到两圆形电极连线的中心，两圆形电极为光电流收集电极，两条形电极为外置电压源连接电极，用于施加外加偏压；经过圆形电极收集后的光电流，经过电流放大器进行初步放大，然后输入到锁相放大器，锁相放大器的参考频率信号为斩波器的频率，进行信号采集。

步骤2还包括如下步骤：

步骤2-1，利用可调谐激光器确认n型掺杂的GaAs半导体样品的光电流谱的峰值波长Z，将可调谐激光器的波长调整到Z，进行单点的测试工作；

步骤2-2，测试零偏压的情况下的光电流，利用步进电机控制四分之一波片旋转一周，每隔一定角度记录一次光电流数据，用公式(1)进行拟合：

其中J为随波片旋转的光电流，c为自旋光电流系数，L₁和L₂为线偏振光相关的光电流信号，d为背景电流信号，

为四分之一波片旋转的角度。当光斑在两测量电极连线中心时d的值为0；

步骤2-3，施加从-40V到40V的外加偏压，间隔为5V，分别测量不同偏压下的偏振光电流信号，并利用公式(1)进行拟合，得到对应偏压下的自旋光电流系数；

步骤2-4，利用电磁铁施加垂直于样品表面的可变磁场，进行霍尔效应实验测量，外加偏压从-40V到40V，间隔为5V，此时测量的光电流信号为公式(1)中的背景电流信号；在固定外置偏压下，得到光电流随着外加磁场大小变化的图；

步骤2-5，对步骤2-4得到的图中的数据进行斜率的提取，将磁场归一化，得到不同偏压下的自旋光电流随着偏压的变化关系以及磁场归一化后普通光电流随着外加偏压下的变化关系；

步骤2-6，根据步骤2-5得到的变化关系，分别得到霍尔效应和逆自旋霍尔效应的光电流的唯相公式(2)和(3)：

J_hall＝B*J_s＝*B*μ*E*G_s*F(x，r) (2)

J_ishe＝θ*J_s＝θ*μ*E*G_s*F(x，r)*η (3)

其中，J_hall为霍尔效应测到的电流，μ为迁移率，B为磁感应强度，J_s为横向电场作用下的光生载流子电流，E为外加电场强度，G_s为光生载流子数目，F(x，r)为一个与光斑大小及分布相关的关联函数；J_ishe为逆自旋霍尔电流，μ为迁移率，η为圆偏振极化率，θ为自旋霍尔角。

步骤2-6还包括：联立公式(2)和公式(3)，得到公式(4)：

J_ishe/((J_hall/B))＝θ*η (4)

最终，只需要得到圆偏振极化率就能够得到待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品的自旋霍尔角。

本发明具有如下有益效果：

1、自旋霍尔角的测试通常使用铁磁共振制作铁磁电极样品，探测器件需要生长铁磁层作自旋注入，本发明利用圆偏振光注入自旋，因此测试样品不需要生长铁磁层。

2、掺杂半导体的自旋霍尔角在室温下很小，测试过程中通常使用低温强磁场设备，本发明所使用的方法，无需低温和强磁场，只需要一个简单的电磁场。测试成本和现有方法相比，比较低廉。

3、为了克服光斑尺寸和位置以及测试方案的影响，本发明利用霍尔效应将逆自旋霍尔效应进行归一化，可以扣除测试光斑面积、测试光斑位置，电极位置和大小，以及外接测试源表引入的不确定性。使测试结果的可靠性更高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是光路示意图。

图2是样品电极分布图。

图3是样品电路示意图。

图4是背景光电流随外加磁场的变化图。

图5是不同偏压下的自旋光电流随着偏压的变化关系以及普通光电流随着外加偏压下的变化关系示意图。

具体实施方式

本发明通过圆偏振光向n型掺杂的GaAs半导体中注入自旋极化的光生载流子，具体光路如图1所示。

测试系统由可调谐激光器，斩波器，起偏器，四分之一波片，稳压电源，电磁铁，电流放大器和锁相放大器组成。激光器射出的激光，经过斩波器调频后，再经过起偏器，变成一个四十五度偏振的线偏振光，经过四分之一波片，通过旋转四分之一波片，可以周期性的产生线偏振光，左圆偏振光，右圆偏振光。四分之一波片利用步进电机控制其旋转速度，然后照射到样品上，样品放置在一垂直可变磁场的电磁铁中。

所需的n型掺杂的GaAs半导体样品为长条形，制备电极图如图2所示，样品长为15mm，宽为5mm，条形电极在样品短边，宽度为2mm，两圆形电极在样品长边的垂直平分线上，直径为1mm。

样品是利用分子束外延技术生长的n型GaAs，掺杂浓度为2*10¹⁸。衬底为半绝缘GaAs衬底，在上面生长了1um厚的n型掺杂GaAs。

电极为In金属电极，通过电烙铁融化In金属球，然后涂到样品表面，样品利用氮气环境进行退火处理，具体参数为420°氮气环境下退火5分钟。退火完成后，进行电流-电压(I-V)曲线测试，证明是欧姆接触样品。

测量过程中，将样品放置在电磁铁中，施加一个垂直于样品表面的电磁场。

将经过四分之一波片偏振调制的光斑照射到两圆形电极连线的中心。两圆形电极为光电流收集电极，两条形电极为外置电压源连接电极(用来施加外加偏压)。经过圆形电极收集后的光电流，经过电流放大器进行初步放大，然后输入到锁相放大器。锁相放大器的参考频率信号为斩波器的频率。最终利用计算机采集信号(如图3所示)。

测量步骤如下：

步骤1，利用可调谐激光器确认n性掺杂GaAs半导体的光电流谱的峰值波长(850nm)，将可调谐激光器的波长调整到850nm，进行单点的一个测试工作。

步骤2，首先测试零偏压的情况下的光电流，利用步进电机控制四分之一波片旋转一周，每隔五度或者十度记录一次光电流数据。根据四分之一波片的原理，可知四分之一波片旋转一周会产生九十度周期的线偏振光，和一百八十度周期的圆偏振光，因此用公式(1)进行拟合：

其中J为随波片旋转的光电流，c为自旋光电流系数，L₁和L₂为线偏振光相关的光电流信号，d为背景电流信号，当光斑在两测量电极连线中心时d的值为0；

步骤3，接着施加从-40V到40V的外加偏压，间隔为5V，分别测量不同偏压下的偏振光电流信号，并利用公式(1)进行拟合，得到对应偏压下的自旋光电流系数；

步骤4，利用电磁铁施加垂直于表面的可变磁场，进行霍尔效应实验测量，外加偏压从-40V到40V，间隔为5V，此时测量的光电流信号为公式(1)中的背景光电流信号；在固定外置偏压下，画出光电流随着外加磁场大小变化的图，根据霍尔效应，霍尔电流随着外加磁场成线性变化关系(如图4所示)，图4中横坐标为外加横向磁场，纵坐标为背景光电流信号，不同颜色的直线为不同外加偏压下的光电流随外加磁场的变化关系；

步骤5，通过对图4中的直线数据进行斜率的提取，将磁场归一化，扣除磁场的影响。画出不同偏压下的自旋光电流随着偏压的变化关系以及普通光电流(磁场归一化之后)随着外加偏压下的变化关系，如图5所示，横坐标为外加偏压，左侧纵坐标为磁场归一化的普通光电流，右侧纵坐标为圆偏振光电流。红色圆圈线为普通光电流(磁场归一化)随外加偏压的变化关系，黑色菱形线为自旋光电流随外加偏压的变化关系；

步骤6，通过对比分析发现，霍尔效应引起的光电流随外加偏压成线性变化关系(符合霍尔效应的基本理论)，自旋光电流(由于自旋光生载流子的定向移动，产生了和外加偏压平行或者反平行的自旋流，收到逆自旋霍尔效应的影响，在其垂直方向会有逆自旋霍尔电流产生)也与外加偏压成线性关系。因此能够用霍尔效应去模拟逆自旋霍尔电流的产生过程。对于n型掺杂的GaAs材料来说，其光生空穴会被掺杂电子很快复合掉，只留下光生电子；根据上述分析，列出霍尔效应和逆自旋霍尔效应的唯相公式(2)和(3)：

J_hall＝B*J_s＝B*μ*E*G_s*F(x，r) (2)

J_ishe＝θ*J_s＝θ*μ*E*G_s*F(x，r)*η (3)

其中，J_hall为霍尔效应测到的电流，μ为迁移率，B为磁感应强度，J_s为横向电场作用下的光生载流子电流，E为外加电场强度，G_s为光生载流子数目，F(x，r)为一个与光斑大小及分布相关的关联函数；J_ishe为逆自旋霍尔电流，μ为迁移率，η为圆偏振极化率，θ为自旋霍尔角，是一个和自旋轨道耦合系数及自旋散射机制相关的参数。

对公式(2)求磁场的导数发现，(J_hall/B)为一个和外加电场强度E成线性关系的公式，与实验结果吻合。联立公式(2)和公式(3)，得到公式(4)：

J_ishe/((J_hall/B))＝θ*η (4)

公式中与光斑和测量系数相关的参数都可以被消掉，因此只需要知道圆偏振极化率就可以知道材料的自旋霍尔角。

对于一般情况下的n型掺杂的GaAs半导体来说，圆偏振极化率通常为10^-2到5*10^-3。因此测到的自旋霍尔角大小为0.015到0.03，n型掺杂GaAs半导体利用低温强磁场或者铁磁共振方法测到的自旋霍尔角大小与本实验测到的自旋霍尔角在同一数量级(目前对于同一种材料自旋霍尔角，不同测试方法测试的结果相差比较大，因此同一数量级即可说明本技术的可实施性。)本发明通过圆偏振光注入的办法避免生长铁磁层，可以在室温情况下直接探测样品的自旋霍尔角。并且测试方法简单，成本低廉。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种室温测量n型掺杂砷化镓半导体自旋霍尔角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立测试系统，将待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品放入测试系统中；

步骤2，测量n型掺杂的GaAs半导体样品的自旋霍尔角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述测试系统包括可调谐激光器、斩波器、起偏器、四分之一波片、电磁铁、电流放大器和锁相放大器。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述可调谐激光器射出的激光经过斩波器调频后，再经过起偏器，变成一个四十五度偏振的线偏振光，经过四分之一波片，通过旋转四分之一波片，能够周期性的产生线偏振光、左圆偏振光、右圆偏振光。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中，将待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品放置在垂直可变磁场的电磁铁中，施加一个垂直于样品表面的电磁场。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品为长条形，两条形电极分别在样品的两短边，两圆形电极分别在样品两长边的垂直平分线上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2中，利用步进电机控制四分之一波片的旋转速度，将经过四分之一波片偏振调制的光斑照射到两圆形电极连线的中心，两圆形电极为光电流收集电极，两条形电极为外置电压源连接电极，用于施加外加偏压；经过圆形电极收集后的光电流，经过电流放大器进行初步放大，然后输入到锁相放大器，锁相放大器的参考频率信号为斩波器的频率，进行信号采集。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2还包括如下步骤：

步骤2-1，利用可调谐激光器确认n型掺杂的GaAs半导体样品的光电流谱的峰值波长Z，将可调谐激光器的波长调整到Z，进行单点的测试工作；

步骤2-2，测试零偏压的情况下的光电流，利用步进电机控制四分之一波片旋转一周，每隔一定角度记录一次光电流数据，用公式(1)进行拟合：

其中J为随波片旋转的光电流，c为自旋光电流系数，L₁和L₂为线偏振光相关的光电流信号，d为背景电流信号，

为四分之一波片旋转的角度；当光斑在两测量电极连线中心时d的值为0；

步骤2-3，施加外加偏压，分别测量不同偏压下的偏振光电流信号，并利用公式(1)进行拟合，得到对应偏压下的自旋光电流系数；

步骤2-4，利用电磁铁施加垂直于样品表面的可变磁场，进行霍尔效应实验测量，此时测量的光电流信号为公式(1)中的背景电流信号；在固定外置偏压下，得到光电流随着外加磁场大小变化的图；

步骤2-5，对步骤2-4得到的图中的数据进行斜率的提取，将磁场归一化，得到不同偏压下的自旋光电流随着偏压的变化关系以及磁场归一化后普通光电流随着外加偏压下的变化关系；

步骤2-6，根据步骤2-5得到的变化关系，分别得到霍尔效应和逆自旋霍尔效应的光电流的唯相公式(2)和(3)：

J_hall＝B*J_s＝*B*μ*E*G_s*F(x，r) (2)

J_ishe＝θ*J_s＝θ*μ*E*G_s*F(x，r)*η (3)

其中，J_hall为霍尔效应测到的电流，μ为迁移率，B为磁感应强度，J_s为横向电场作用下的光生载流子电流，E为外加电场强度，G_s为光生载流子数目，F(x，r)为一个与光斑大小及分布相关的关联函数；J_ishe为逆自旋霍尔电流，μ为迁移率，η为圆偏振极化率，θ为自旋霍尔角。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤2-6还包括：联立公式(2)和公式(3)，得到公式(4)：

J_ishe/((J_hall/B))＝θ*η (4)

最终，只需要得到圆偏振极化率就能够得到待测量的n型掺杂的GaAs半导体样品的自旋霍尔角。

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