CN115753646A - 一种区分p型砷化镓晶向的光电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，包括：制备p‑GaAs样品及两对条形电极；将样品放置在真空杜瓦瓶里，用引线连接一对电极，并与电压前置放大器相连；激光器发出的激光经过衰减片、斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，使激光垂直入射到样品上；样品在激光照射下产生光电流，输入电压前置放大器，通过第一、二锁相放大器分别提取普通光电流、圆偏振光相关光电流，让样品连续偏转设定次数，每变化设定角度采集一次电流数据；给前置放大器施加电压再重复测试一次；将样品旋转90°，用引线连接另一对电极，重复上述测试过程；对比得到的数据，根据信号大、小区分[110]晶向、
晶向。该方法有利于简单、快捷、有效地定位p型砷化镓的晶向。
Description
技术领域
本发明属于自旋电子学技术领域，具体涉及一种区分p型砷化镓晶向的光电方法。
背景技术
随着集成电路特征尺寸不断减小，工艺开发的难度和成本急剧增加，纳米级的特征尺寸带来的量子效应也会使器件失效，摩尔定律难以维续。因此，亟需一种新的器件原理，通过操控电子的自旋自由度去实现新器件和新的芯片功能成为一种研究思路。
半导体材料中的自旋扩散长度可达1000nm，半导体中载流子较少，适用于研究单电子自旋行为；半导体对光的吸收具有选择性，因此可以用圆偏振光注入自旋电子，反过来，电子自旋态携带的信息也能转移到光子进行信息传输，实现光自旋电子学。其中，III-V族半导体具有独特的电学和光学特性，在光通信、微波器件、照明、显示、光伏、光探测、基础科学等领域都已经表现出重要价值。人们期望将自旋电子学与成熟的半导体生长工艺和微纳加工工艺相结合，实现器件集成，所以准确的定位晶向对后续半导体的加工有着重要意义。一般定位晶向需要通过晶向检测仪来测试，然而晶向检测仪的测试过程较为繁琐，不适合在规模化生产中应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，该方法有利于简单、快捷、有效地定位p型砷化镓的晶向。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，包括如下步骤：
步骤S1、用分子束外延技术在(001)晶面的砷化镓衬底上外延一层掺杂Be元素的砷化镓，再将掺杂的砷化镓沿[110]和
晶向切割成正方形p-GaAs样品，然后在四条边上沿[110]和
晶向两两对向制作两对条形电极；
步骤S2、将样品放置在真空杜瓦瓶里，并采用银丝作为引线分别连接其中一对电极的两个电极，将电极引线连接到杜瓦瓶的接线柱上，然后通过杜瓦瓶的接线柱将样品上的两个电极与电压前置放大器的输入端相连；
步骤S3、激光器发出的激光经过衰减片、斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，先让光斑照射在样品上两电极连线的中点，再通过透镜放大光斑覆盖整个样品，使激光垂直入射到样品上；
步骤S4、样品在激光照射下产生光电流，通过两个电极进行收集，而后输入电压前置放大器，并分别输入至第一锁相放大器和第二锁相放大器，然后通过数据采集卡进行收集；所述光电流由两部分组成，第一部分是普通光电流，与斩波器的斩波频率一致，通过第一锁相放大器提取，记为IPC；第二部分是圆偏振光相关的光电流，是左旋圆偏振光产生的光电流与右旋圆偏振光产生的光电流的差值，与光弹性调制器的一倍频的频率相同，通过第二锁相放大器提取，记为ICPGE；
步骤S5、启动用于驱动真空杜瓦瓶旋转的电机，让样品连续偏转设定次数，每变化设定角度采集一次数据，采集得到
和
其中n表示偏转次数；然后给前置放大器施加一个电压V，再重复上述测试过程，采集得到
令
得到
步骤S6、断开引线与电极的连接，将样品旋转90°，并用引线分别连接另一对电极的两个电极，然后重复步骤S3-S5，采集得到
和
步骤S7、通过对得到的
进行对比分析，区分[110]晶向和
晶向。
进一步地，所述外延一层掺杂Be元素的砷化镓的厚度范围为10nm～10μm。
进一步地，所述样品上的电极为铟电极，并且在400℃真空环境下退火10分钟；两对电极用不透光的胶带覆盖，以使光斑不会打到电极上。
进一步地，所述步骤S3中，所述步骤S3中，所述光弹性调制器的一倍频调制频率为50KHz，光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45°，光弹性调制器的位相延迟为激光波长乘以1/4；斩波器的斩波频率为200～4000Hz。
进一步地，所述步骤S3中，所述激光器的波长对应光子能量大于p-GaAs的带隙，激光功率为10～260mW。
进一步地，所述步骤S4中，斩波器的工作频率输入到第一锁相放大器的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入第一锁相放大器的输入端，第一锁相放大器的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；将光弹性调制器的一倍频的频率输入到第二锁相放大器的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入第二锁相放大器的输入端，第二锁相放大器的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号。
进一步地，所述步骤S5中，所述电机驱动样品左右偏转，以使激光在样品表面的入射角在-60°到+60°之间变化。
进一步地，所述步骤S5中，施加的电压大小为0.1～3V。
进一步地，所述步骤S7中，对比采集到的所有ICPGE信号，当激光在样品表面的入射角在-(30～50)°及(30～50)°范围时，信号数值绝对值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向；对比采集到的所有IPC信号，当入射角在-10°至10°之间时，信号数值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，该方法通过简单易行的方法来测量p型砷化镓的晶向，简单易行，操作便捷，成本低廉，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图。
图2是本发明实施例中用于实现方法的测量系统示意图。
图3是本发明实施例中P型砷化镓[110]晶向和
晶向的CPGE电流随角度变化图。
图4是本发明实施例中P型砷化镓[110]晶向和
晶向的光电导随角度变化图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1、2所示，本实施例提供了一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，包括如下步骤：
步骤S1、用分子束外延技术(MBE)在(001)晶面的砷化镓衬底上外延一层掺杂Be元素的砷化镓，再将掺杂的砷化镓沿[110]和
晶向切割成正方形p-GaAs样品，然后在四条边上沿[110]和
晶向两两对向制作两对条形电极。
其中，外延一层掺杂Be元素的砷化镓的厚度范围为10nm～10μm。在本实施例中，外延一层2微米厚的掺杂Be元素的砷化镓，掺杂密度为5e16cm3。然后将掺杂的砷化镓沿[110]和
晶向切割成6×6mm的正方形p-GaAs样品。
在本实施例中，所述样品上的电极为铟电极，并且在400℃真空环境下退火10分钟；两对电极用不透光的胶带覆盖，以使光斑不会打到电极上。
步骤S2、将样品放置在真空杜瓦瓶里，并采用银丝作为引线分别连接其中一对电极的两个电极，将电极引线连接到杜瓦瓶的接线柱上，然后通过杜瓦瓶的接线柱将样品上的两个电极与电压前置放大器的输入端相连。
步骤S3、激光器发出的激光经过衰减片、斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，先让光斑照射在样品上两电极连线的中点，再通过透镜放大光斑覆盖整个样品，使激光垂直入射到样品上，让激光入射面与两电极连线垂直。
其中，所述光弹性调制器的一倍频调制频率为50KHz，光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45°，光弹性调制器的位相延迟为激光波长乘以1/4。斩波器的斩波频率为200～4000Hz。在本实施例中，斩波频率为240Hz。
所述激光器的波长对应光子能量大于p-GaAs的带隙，激光功率为10～260mW。在本实施例中，激光波长为910nm，功率为180mW。
步骤S4、样品在激光照射下产生光电流，通过两个电极进行收集，而后输入电压前置放大器，并分别输入至第一锁相放大器和第二锁相放大器，然后通过数据采集卡进行收集；所述光电流由两部分组成，第一部分是普通光电流，与斩波器的斩波频率一致，通过第一锁相放大器提取，记为IPC；第二部分是圆偏振光相关的光电流，是左旋圆偏振光产生的光电流与右旋圆偏振光产生的光电流的差值，与光弹性调制器的一倍频的频率相同，通过第二锁相放大器提取，记为ICPGE。
具体地，斩波器的工作频率输入到第一锁相放大器的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入第一锁相放大器的输入端，第一锁相放大器的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；将光弹性调制器的一倍频的频率输入到第二锁相放大器的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入第二锁相放大器的输入端，第二锁相放大器的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号。
步骤S5、启动用于驱动真空杜瓦瓶旋转的电机，让样品连续偏转设定次数，每变化设定角度采集一次数据，采集得到
和
其中n表示偏转次数；然后给前置放大器施加一个0.1～3V的电压V，再重复上述测试过程，采集得到
令
得到
在本实施例中，所述电机驱动样品左右偏转，以使激光在样品表面的入射角从-60°缓慢旋转至+60°。
步骤S6、断开引线与电极的连接，将样品旋转90°，并用引线分别连接另一对电极的两个电极，然后重复步骤S3-S5，采集得到
和
步骤S7、将得到的
和
输入数据分析软件进行对比分析，区分[110]晶向和
晶向。
具体地，对比采集到的所有ICPGE信号，当入射角在-(30～50)°及(30～50)°范围时，信号数值绝对值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向；对比采集到的所有IPC信号，当入射角在-10°至10°之间时，信号数值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向。
在本实施例中，对比采集到的所有ICPGE信号，当入射角在±40°时，信号数值绝对值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向；对比采集到的所有IPC信号，当入射角在0°时，信号数值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向。
图3是本实施例中P型砷化镓[110]晶向和
晶向的CPGE电流随角度变化图。图3中，横坐标是从负60度角变化到正60度角，纵坐标是CPGE电流，单位是纳安(nA)，黑色实心正方形是[110]晶向的CPGE电流，黑色空心正方形是
晶向的CPGE电流。
图4是本实施例中P型砷化镓[110]晶向和
晶向的光电导随角度变化图。图4中，横坐标是从负60度角变化到正60度角，纵坐标是光电导，单位是纳安(nA)，黑色实心正方形是[110]晶向的光电导，黑色空心正方形是
晶向的光电导。
如图3、4所示，本实施例提供的区分p型砷化镓晶向的光电方法：通过用910nm波长的激光激发出P-GaAs的圆偏振光致电流效应(CPGE)，发现[110]晶向的CPGE电流极大值为12.4nA，正入射时候光电导为2900nA，图中用实心正方形画出；而
晶向的CPGE电流极大值为2.3nA，正入射时候光电导为2510nA，图中用空心正方形画出，两个晶向的CPGE电流和光电导相差巨大，[110]晶向远大于
晶向。我们认为，对于GaAs衬底上外延P-GaAs层，掺杂会带来表面能带弯曲，表面层可以视为D2d对称性的量子阱来处理。当原子偏析或非对称掺杂等因素破坏了对称界面时，体系对称性降为C2v。在C2v体系中，Rashba和Dresselhauss自旋轨道耦合效应同时存在。由Rashba自旋轨道耦合效应引起的CPGE电流称为JR，由Dresselhauss自旋轨道耦合效应引起的CPGE电流称为JD。当激光沿
晶向入射时，垂直于入射面方向，即在[110]晶向电极上测得的CPGE电流表示为JR+JD，当激光沿[110]晶向入射时，垂直于入射面方向，即在
晶向电极上测得的CPGE电流表示为JR-JD，JR+JD会远大于JR-JD。另外[110]晶向电极上测得的光电导也因为自旋轨道耦合效应的叠加，远大于
晶向上测得的光电导。
为了进一步验证本方法的正确性，本发明还测试了用分子束外延技术(MBE)在(001)晶面的砷化镓衬底上外延一层2微米厚的未掺杂的砷化镓，称为半绝缘砷化镓样品，在这个样品上我们发现两个晶向的CPGE电流信号和光电导都很小，未产生明显差异，可以知道P-GaAs中两个晶向的巨大差异是由掺杂带来的，因此，进一步证明了本方法的正确性。
综上，本发明提出一种简单、易操作的方法区分p型砷化镓的晶向，该方法将激光依次通过斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，以一定的入射角照射在样品表面，同时给样品施加适当的正向和反向的电压，通过锁相放大器将普通光电流和圆偏振光相关的光电流提取出来，然后再通过简单的计算得两个晶向的CPGE电流和光电导，接下来判断大小，信号大的是[110]晶向，信号小的是
向。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、用分子束外延技术在(001)晶面的砷化镓衬底上外延一层掺杂Be元素的砷化镓，再将掺杂的砷化镓沿[110]和
晶向切割成正方形p-GaAs样品，然后在四条边上沿[110]和
晶向两两对向制作两对条形电极；
步骤S2、将样品放置在真空杜瓦瓶里，并采用银丝作为引线分别连接其中一对电极的两个电极，将电极引线连接到杜瓦瓶的接线柱上，然后通过杜瓦瓶的接线柱将样品上的两个电极与电压前置放大器的输入端相连；
步骤S3、激光器发出的激光经过衰减片、斩波器、起偏器、光弹性调制器和透镜，先让光斑照射在样品上两电极连线的中点，再通过透镜放大光斑覆盖整个样品，使激光垂直入射到样品上；
步骤S4、样品在激光照射下产生光电流，通过两个电极进行收集，而后输入电压前置放大器，并分别输入至第一锁相放大器和第二锁相放大器，然后通过数据采集卡进行收集；所述光电流由两部分组成，第一部分是普通光电流，与斩波器的斩波频率一致，通过第一锁相放大器提取，记为IPC；第二部分是圆偏振光相关的光电流，是左旋圆偏振光产生的光电流与右旋圆偏振光产生的光电流的差值，与光弹性调制器的一倍频的频率相同，通过第二锁相放大器提取，记为ICPGE；
步骤S5、启动用于驱动真空杜瓦瓶旋转的电机，让样品连续偏转设定次数，每变化设定角度采集一次数据，采集得到
和
其中n表示偏转次数；然后给前置放大器施加一个电压V，再重复上述测试过程，采集得到
令
得到
步骤S6、断开引线与电极的连接，将样品旋转90°，并用引线分别连接另一对电极的两个电极，然后重复步骤S3-S5，采集得到
和
步骤S7、通过对得到的
和
进行对比分析，区分[110]晶向和
晶向。
2.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述外延一层掺杂Be元素的砷化镓的厚度范围为10nm～10μm。
3.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述样品上的电极为铟电极，并且在400℃真空环境下退火10分钟；两对电极用不透光的胶带覆盖，以使光斑不会打到电极上。
4.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述步骤S3中，所述光弹性调制器的一倍频调制频率为50KHz，光弹性调制器的主轴方向与起偏器的偏振方向夹角为45°，光弹性调制器的位相延迟为激光波长乘以1/4；斩波器的斩波频率为200～4000Hz。
5.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述激光器的波长对应光子能量大于p-GaAs的带隙，激光功率为10～260mW。
6.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述步骤S4中，斩波器的工作频率输入到第一锁相放大器的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入第一锁相放大器的输入端，第一锁相放大器的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号；将光弹性调制器的一倍频的频率输入到第二锁相放大器的参考频率输入端，电流前置放大器的输出端接入第二锁相放大器的输入端，第二锁相放大器的输出端接入数据采集卡，通过数据采集卡采集电流信号。
7.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述电机驱动样品左右偏转，以使激光在样品表面的入射角在-60°到+60°之间变化。
8.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，所述步骤S5中，施加的电压大小为0.1～3V。
9.根据权利要求1所述的一种区分p型砷化镓晶向的光电方法，其特征在于，对比采集到的所有ICPGE信号，当激光在样品表面的入射角在-(30～50)°及(30～50)°范围时，信号数值绝对值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向；对比采集到的所有IPC信号，当入射角在-10°至10°之间时，信号数值较大的是[110]晶向，较小的是
晶向。
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| CN109827961A (zh) * | 2019-02-21 | 2019-05-31 | 上海理工大学 | 硅晶向鉴别仪 |
| CN113534021A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-22 | 福州大学 | 一种测量三维拓扑绝缘体中电流诱导自旋极化的方法 |
-
2022
- 2022-11-24 CN CN202211479550.7A patent/CN115753646A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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