改变GaAs/AlGaAs中Rashba自旋轨道耦合随温度变化的方法与流程

本发明涉及半导体自旋电子学领域，特别是一种改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法。

背景技术：

改变电子自旋所需能量远小于改变电子电荷所需的能量，因此自旋电子被广泛研究，希望能制备利用电子自旋的电子器件。而在自旋电子器件中，样品的自旋轨道耦合十分重要。自旋轨道耦合与自旋电子的弛豫机制等息息相关，研究自旋轨道耦合有利于制备实用的自旋电子器件。

自旋轨道耦合包括由结构反演不对称引起的Rashba自旋轨道耦合和体反演不对称引起的Dresshaus自旋轨道耦合。其中Rashba自旋轨道耦合能通过电场，界面不对称及温度等因素改变。

Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流作为一种在能通过宏观实验测量的实验参数，其通常情况下被用于研究各类半导体材料的自旋轨道耦合效应。本发明中通过测试GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流研究Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法，通过改变入射激光波长改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势。

本发明采用以下方案实现：一种改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法，包括以下步骤：

步骤S1：用分子束外延设备生长GaAs/AlGaAs半导体二维电子气样品，并沉积铟电极；

步骤S2：调整光路，使激光光斑位于样品两个电极中间，激光的入射角度为30°；

步骤S3：使入射激光波长为1064nm，将样品置于杜瓦瓶中，控制样品温度由77K至室温300K变化，测量样品随温度变化的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流；

步骤S4：使入射激光波长为532nm，将样品置于杜瓦瓶中，控制样品温度由77K至室温300K变化，测量样品随温度变化的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流。

进一步地，步骤S1具体为：用分子束外延法在GaAs衬底上生长半导体量子阱样品；样品的生长过程为：首先在样品上生长10个周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格作为缓冲层，再生长大于1μm的GaAs缓冲层，然后生长30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，进行Si-δ掺杂后再生长50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，最后生长10nm厚的GaAs；在 GaAs/AlGaAs异质结的界面上形成二维电子气。

进一步地，所述步骤S3与步骤S4中，样品温度的控制通过杜瓦瓶和温控箱组成的温控系统。

进一步地，通过改变入射激光波长改变Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势。

进一步地，入射激光波长分别为1064nm波长和532nm波长。其中1064nm波长激光可引起载流子的子带间激发，532nm波长激光可引起载流子的带间激发。

进一步地，由于Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流和Rashba自旋轨道耦合成正比，因此本发明通过Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流研究Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明的实现较为简便，成本低，调控效果好。

附图说明

图1为本发明实施例中GaAs/AlGaAs二维电子气样品示意图。

图2为本发明实施例中所用的光路示意图。

图3为本发明实施例中激光入射平面指示图。

图4为本发明实施例中入射激光波长为1064nm的测试结果示意图。

图5为本发明实施例中入射激光波长为532nm的测试结果示意图。

图中，1为(001)面的GaAs衬底，2为10个周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格，3为厚度大于1μm的GaAs，4为30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，5为50nm厚的GaAs，6为10nm厚的GaAs，7为Si-δ掺杂，8为GaAs/AlGaAs界面上生成的二维电子气,9为1064nm波长激光器，10为532nm波长激光器，11和12为反射镜，13为渐变衰减片，14为斩波器，15和18为小孔光阑，16为起偏器，17为四分之一波片，19为GaAs/AlGaAs二维电子气样品，20和21为沉积的铟电极。

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。

本实施例提供了一种改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法，所用样品为用分子束外延法在（001）面GaAs衬底上生长的GaAs/AlGaAs量子阱样品且在GaAs/AlGaAs界面上能形成二维电子气。由于Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流和Rashba自旋轨道耦合成正比，因此本发明通过Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流研究Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势。本实施例通过改变入射激光的波长改变Rashba自旋轨道耦合随温度的变化趋势。入射激光波长分别为1064nm波长和532nm波长，其中1064nm波长激光可引起载流子的子带间激发，532nm波长激光可引起载流子的带间激发。

本实施例具体包括以下步骤：

步骤S1：用分子束外延设备生长GaAs/AlGaAs半导体二维电子气样品，并沉积铟电极；

步骤S2：调整光路，使激光光斑位于样品两个电极中间，激光的入射角度为30°；

步骤S3：使入射激光波长为1064nm，将样品置于杜瓦瓶中，使样品温度由77K至室温300K变化，测量样品随温度变化的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流。

步骤S4：使入射激光波长为532nm，将样品置于杜瓦瓶中，使样品温度由77K至室温300K变化，测量样品随温度变化的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流。

较佳的，本实施例的具体步骤如下：

步骤S1：用分子束外延设备生长GaAs/AlGaAs半导体二维电子气样品，并沉积铟电极，可分为S11和S12两个具体步骤。

步骤S11：本发明一种改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法的实施例中的GaAs/AlGaAs二维电子气样品如图1所示。样品是利用分子束外延法生长的。样品衬底为(001)面的GaAs。GaAs/AlGaAs样品的生长过程如下，首先在GaAs/AlGaAs样品上生长10个周期GaAs/Al_0.3Ga_0.7As超晶格作为缓冲层，以防止衬底的缺陷蔓延至GaAs/AlGaAs样品中，再生长大于1μm的GaAs缓冲层，然后生长30nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，在表面进行Si-δ掺杂后再生长50nm厚的Al_0.3Ga_0.7As，最后生长10nm厚的GaAs作为盖层。GaAs/AlGaAs样品各层都为单晶，在GaAs/Al_0.3Ga_0.7As异质结界面上会生成二维电子气。

步骤S12：在样品上沉积铟电极。电极位置如图3所示。本实施例中样品的边沿平行于样品[110]晶向和[10]晶向，在样品的对角方向即[110]晶向沉积了一对铟电极。样品电极位置图3所示。铟电极沉积完成后，在420℃下真空中退火15分钟。退火的具体步骤为，将样品置于石英管中，先通氩气，并排出空气，以防止在退火的过程中残留的空气带来的影响。当石英管中充满氩气后开始抽真空。将管式炉加热至420℃，将石英管放入管式炉中，15分钟后取出，在室温下自然降温，在退火和降温过程中石英管均保持真空状态。再在铟电极上焊上银线，以便获取圆偏振光电流信号。

步骤S2：调整光路，使激光入射到样品上，激光光斑位于样品两个电极中间，激光的入射角为30°，可分为S21和S22两个具体步骤。

步骤S21：光路调整的具体步骤如下：由于1064nm波长为红外光肉眼不可见，直接调整1064nm波长激光入射在样品上时难以确定激光的具体位置，所以在实例中利用532nm波长绿光和上转换片进行辅助调节。首先调整532nm波长激光器使其通过两个小孔光阑的中心，并调整起偏器和四分之一波长波片，使激光通过起偏器和四分之一波长波片的中心，激光的入射角为30°，使激光入射在样品两个电极的中心，激光入射平面如图3所示。上转换片在1064nm激光波长照射下能发出绿色荧光，借助上转换片调整1064nm波长激光使1064nm激光通过两个小孔光阑。当532nm波长激光和1064nm波长激光都通过两个小孔光阑时可认为两束光的光路是重合的。此时，可认为1064nm波长激光也打在样品两电极中点，且激光的入射角为30°。

步骤S22：本实施例中所用的光路图如图2所示。激光经过斩波器后，再经过起偏器使得激光的偏振方向和起偏器的偏振方向一致，然后经过四分之一波片后照射在二维电子气样品上。实例中通过步进电机控制四分之一波长波片以每个步长5°转动，共转过360°。由于波片转动，入射到GaAs/AlGaAs二维电子气样品上的激光在线偏振光和圆偏振光之间周期变化。GaAs/AlGaAs二维电子气样品中由激光激发产生的信号经过前置放大器和锁相放大器放大后输入电脑。之后经过公式拟合提取出Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流信号CPGE。再测量GaAs/AlGaAs二维电子气样品在1V电压下的普通光电流I，将Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流CPGE用普通光电流I归一化，及将圆偏振光致电流CPGE除以普通光电流I，以消除载流子浓度变化影响，圆偏振光致电流CPGE用普通光电流I归一化后的CPGE/I随温度的变化趋势能反映Rashba自旋轨道耦合随温度的变化趋势，如图4和图5所示。

步骤S3：使入射激光波长为1064nm，将样品置于杜瓦瓶中，使样品温度由77K至室温300K变化，测量样品随温度变化的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流的变化趋势。本实施例所用光路如图2所示，入射平面如图3所示。本实施例中，通过控制1064nm激光器开关，使得1064nm波长的激光入射到GaAs/AlGaAs二维电子气样品上，其中激光的入射角为30°。实施例中将GaAs/AlGaAs样品置于杜瓦瓶中，并在杜瓦瓶中注入液氮，通过由杜瓦瓶和温度控制箱组成的控温系统控制GaAs/AlGaAs二维电子气样品温度从77K至室温的变化。测量在1064nm波长激光激发下，GaAs/AlGaAs二维电子气样品温度从77K至室温变化时的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流。再测试GaAs/AlGaAs二维电子气样品在1064nnm波长激光激发下在1V偏压下的普通光电流I，将Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光用普通光电流I归一化，及将圆偏振光致电流CPGE除以普通光电流I。本步骤所得Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度的变化趋势如图4所示。由于Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流与Rashba自旋轨道耦合成正比，可知本实施例中1064nm波长激光激发下Rashba自旋轨道耦合随温度的变化趋势如图4所示。

步骤S4：使入射激光波长为532nm，将样品置于杜瓦瓶中，使样品温度由77K至室温300K变化，测量样品随温度变化的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流的变化趋势。图5是本发明一种改变GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法的实施例所测得的结果。图5所用光路如图2所示，入射平面如图3所示。实施例中将GaAs/AlGaAs二维电子气样品置于杜瓦瓶中，并在杜瓦瓶中注入液氮，通过由杜瓦瓶和温度控制箱组成的控温系统控制GaAs/AlGaAs二维电子气样品温度从77K至室温300K变化。测量在532nm波长激光入射下，GaAs/AlGaAs二维电子气样品温度从77K至室温300K变化时的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流。再测试GaAs/AlGaAs二维电子气样品在532nm激光波长下在1V电压下的普通光电流I，将Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光用普通光电流I归一化，及将圆偏振光致电流CPGE除以普通光电流I。本步骤所得Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度的变化趋势如图5所示。由于Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流与Rashba自旋轨道耦合成正比，可知本实施例中532nm波长激光激发下Rashba自旋轨道耦合随温度的变化趋势如图5所示。

在图4中，在1064nm波长激光激发下所测的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度的升高而增大，在图5中，在532nm波长激光激发下所测的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度基本不变。由图4图5可知，不同入射激光波长能有效调节半导体二维电子气的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流。

半导体二维电子气中Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流可来源于带间激发或子带激发。1064nm波长激光引起载流子的子带间激发，1064nm波长激光将半导体二维电子气导带中位于较低能级的电子激发到更高的能级上。532nm波长激光引起载流子的带间激发，将价带中的载流子激发到导带上去。

Rashba自旋轨道耦合系数和三角阱中的载流子浓度相关，二维电子气浓度下降将使得Rashba自旋轨道耦合常数增大。温度上升，使得三角阱展宽，导致二维电子气浓度下降，引起Rashba自旋轨道耦合常数增大，因而1064nm波长下的CPGE电流随温度的升高而增大。然而在532nm波长激光激发下，532nm波长激光将电子由价带激发入导带，导带中的电子在热激发下越过势垒进入量子阱，温度高时电子在热激发下越过势垒进入量子阱的概率更高，导致三角阱中的电子数增多，这补偿了由于温度升高引起的电子浓度减小的效应，使得三角阱中载流子浓度随温度变化不大，因而Rashba自旋轨道耦合常数随温度变化也较小。因此在1064nm波长激光激发下所测的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度的升高而增大，而在532nm波长激光激发下所测的Rashba自旋轨道耦合引起的圆偏振光致电流随温度基本不变。

从上述实施例中可以看出，本发明提供了一种调控半导体GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度变化趋势的方法，本方法的实现较为简便，成本低，调控效果好。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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。