一種調(diào)控閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子阱自旋軌道耦合的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種調(diào)控閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子阱 自旋軌道耦合的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子有兩種屬性，一種是自旋屬性，另一種是電荷屬性。由于操作電子自旋要比 操作電荷所需要的能量小得多，因此以自旋作為信息載體的自旋電子學(xué)引起了人們的廣 泛關(guān)注。自旋電子學(xué)的其中一個分支為半導(dǎo)體自旋電子學(xué)，它是通過自旋軌道耦合產(chǎn)生 的等效磁場對電子的自旋狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。由于它能跟傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝較好的兼容且不 需要施加外加磁場，因此具有很好的應(yīng)用前景。在半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的研究中，自旋軌道 耦合成為當(dāng)前的研究熱點。自旋軌道耦合有兩種不同的來源，一種是由體反演不對稱性 (bulkinversionasymmetry，ΒΙΑ)和界面反演不對稱（interfaceinversionasymmetry, ΠΑ)引起的Dresselhaus自旋軌道親合，另一種是由結(jié)構(gòu)反演不對稱（structure inversionasymmetry，SIA)引起的Rashba自旋軌道親合。這兩種自旋軌道親合之間會發(fā) 生相互作用，從而導(dǎo)致在不同的晶體方向上自旋軌道分裂的大小不同。對于（001)導(dǎo)向的 閃鋅礦結(jié)構(gòu)量子講樣品，當(dāng)Rashba與Dresselhaus自旋軌道親合具有相同的強(qiáng)度時，主要 的自旋弛豫機(jī)制（即Daykonov-Perel機(jī)制）就會被抑制，電子的自旋壽命將大大延長，這 將有助于實現(xiàn)新型的自旋電子器件。因此，對Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合及其比 值的主動調(diào)控對于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)具有重要的意義。
[0003]目前，根據(jù)其他文獻(xiàn)的報道，可以通過改變量子阱的勢皇層中調(diào)制摻雜的位置，或 者通過臺階量子講結(jié)構(gòu)，或者改變環(huán)境溫度來調(diào)控Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合的 比值。然而，這兩種方法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，最后一種方法需要引入變溫系統(tǒng)，操作難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種調(diào)控閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子阱自旋軌道耦合 的方法，能夠簡便快捷且有效的調(diào)控半導(dǎo)體量子講Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合比 值。
[0005] 本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)：一種調(diào)控閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子阱自旋軌道耦合的方 法，具體包括以下步驟：
[0006] 步驟S1 :選擇符合條件的半導(dǎo)體量子阱材料；
[0007] 步驟S2 :用分子束外延設(shè)備生長不同阱寬的半導(dǎo)體量子阱；
[0008] 步驟S3 :測量步驟S2中半導(dǎo)體量子講的Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合比 值。
[0009] 進(jìn)一步的，所述步驟S1中所述的條件為：所述半導(dǎo)體量子阱材料為閃鋅礦結(jié)構(gòu)、 所述半導(dǎo)體量子阱材料為單晶并且所述半導(dǎo)體量子阱材料的阱寬為幾納米到十幾納米。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟S2中生長不同阱寬的半導(dǎo)體量子阱，此阱寬的變化范圍為幾 納米到十幾納米。
[0011] 進(jìn)一步的，所述步驟S3具體包括以下步驟：
[0012] 步驟S31 :用圓偏振光照射半導(dǎo)體量子阱，入射角為30度到45度之間，分別測得 所述半導(dǎo)體量子講中由Rashba自旋軌道親合引起的光電流ISIA和由Dresselhaus自旋軌 道耦合引起的光電流IBIA;
[0013] 其中，151產(chǎn)ατPPCM，ΙΒΙΑαβτPPCM;α為Rashba自旋軌道耦合參數(shù)，其強(qiáng)度 正比于Rashba自旋軌道親合的強(qiáng)度，β為Dresselhaus自旋軌道親合參數(shù)，其強(qiáng)度正比于 Dresselhaus自旋軌道耦合的強(qiáng)度，τp為動量弛豫時間，P。為入射激發(fā)光的圓偏振度，Μ為 入射激發(fā)光的強(qiáng)度；
[0014] 步驟S32 :計算在某一入射角下的Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合的比值 JSM. -I- *
[0015] 步驟S33 :換不同阱寬的樣品，重復(fù)步驟S31和S32。
[0016] 本發(fā)明還可以通過以下方法實現(xiàn)：一種調(diào)控閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體量子阱自旋軌道耦 合的方法，具體包括以下步驟：
[0017] 步驟S1 :選擇符合條件的半導(dǎo)體量子阱材料；
[0018] 步驟S2 :用分子束外延設(shè)備在半導(dǎo)體量子阱的其中一個界面上插入超薄InAs 層，即在半導(dǎo)體量子阱的阱層和皇層之間插入超薄InAs層；其中超薄表示所述InAs層的厚 度在0. 5至3個單原子層之間；
[0019] 步驟S3 :測量半導(dǎo)體量子講的Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合比值。
[0020] 進(jìn)一步的，所述步驟S1中所述的條件為：所述半導(dǎo)體量子阱材料為閃鋅礦結(jié)構(gòu)、 所述半導(dǎo)體量子阱材料為單晶并且所述半導(dǎo)體量子阱材料的阱寬為幾納米到十幾納米。
[0021] 進(jìn)一步的，所述步驟S2中插入的InAs層材料的帶隙不同于阱層和皇層的材料的 帶隙，插入的InAs層的厚度為0. 5至3個單原子層之間，用分子束外延系統(tǒng)生長所述插入 的InAs層，其生長溫度在480-520攝氏度之間，其生長速率介于0. 08-0. 12ML/S，所述插入 的InAs層是在As2的氣氛中生長，真空度控制在3. 8-4. 5X10 6托。
[0022] 進(jìn)一步的，所述步驟S3具體包括以下步驟：
[0023] 步驟S31 :用圓偏振光照射半導(dǎo)體量子阱，入射角為30度到45度之間，分別測得 所述半導(dǎo)體量子講中由Rashba自旋軌道親合引起的光電流ISIA和由Dresselhaus自旋軌 道耦合引起的光電流IBIA;
[0024] 其中，151產(chǎn)ατAM，ΙΒΙΑαβτAM;α為Rashba自旋軌道親合參數(shù)，其強(qiáng)度 正比于Rashba自旋軌道親合的強(qiáng)度，β為Dresselhaus自旋軌道親合參數(shù)，其強(qiáng)度正比于 Dresselhaus自旋軌道耦合的強(qiáng)度，τp為動量弛豫時間，P。為入射激發(fā)光的圓偏振度，Μ為 入射激發(fā)光的強(qiáng)度；
[0025] 步驟S32 :計算在某一入射角下的Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合的比值 1^. W
[0026] 步驟S33 :換不同阱寬且界面有InAs插入層的樣品，重復(fù)步驟S31和S32。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下有益效果。
[0028] 1、本發(fā)明提供的這種調(diào)控半導(dǎo)體量子講Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合比 值的方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，易于操作，有利于日后推廣應(yīng)用。
[0029] 2、本發(fā)明提供的這種調(diào)控Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合比值的方法，調(diào)控 效果明顯。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的實施例中一個半導(dǎo)體量子阱樣品（記為樣品A)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖2為本發(fā)明的實施例中第二個半導(dǎo)體量子阱樣品（記為樣品B)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖3為本發(fā)明的實施例中第三個半導(dǎo)體量子阱樣品（記為樣品C)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖4為本發(fā)明的實施例中第四個半導(dǎo)體量子阱樣品（記為樣品D)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖5為本發(fā)明的實施例中測量半導(dǎo)體量子阱Rashba和Dresselhaus自旋軌道耦 合比值的測試系統(tǒng)示意圖。
[0035] 圖6 (a)與圖6 (b)為本發(fā)明的實施例中測量半導(dǎo)體量子講Rashba和Dresselhaus 自旋軌道耦合比值的樣品和光路分布示意圖，其中圖6(a)為測量半導(dǎo)體量子阱Rashba自 旋軌道耦合的樣品和光路分布示意圖，圖6(b)為測量半導(dǎo)體量子阱Dresselhaus自旋軌道 耦合的樣品和光路分布示意圖。
[0036] 圖7為本發(fā)明的實施例中的四個半導(dǎo)體量子阱樣品（即樣品A、B、C、D)對應(yīng)于量 子講第一重空穴子帶到第一電子子帶躍迀的Rashba和Dresselhaus自旋軌道親合比值隨 阱寬的變化曲線。
[0037][主要組件符號說明]
[0038] 圖1中：101為（001)面半絕緣GaAs襯底，102為200納米（nm)的GaAs緩沖層， 103 為 100nm的Ala3GaQ.7As勢皇層，104 為 3nmGaAs勢阱層，105 為 10nm的Ala33GaQ.67As勢 皇層，勢阱層104和勢皇層105重復(fù)20個周期，106為lOOnm的Ala3Gaa7As勢皇層，107為 20nmGaAs蓋層。
[0039] 圖2中：201為（001)面半絕緣GaAs襯底，202為200納米（nm)的GaAs緩沖層， 203 為lOOnm的Ala3GaQ.7As勢皇層，204 為 7nmGaAs勢阱層，205 為 10nm的Ala33GaQ.67As勢 皇層，勢阱層204和勢皇層105重復(fù)20個周期，206為lOOnm的Ala3Gaa7As勢皇層，207為 20nmGaAs蓋層。
[0040] 圖3中：301為（001)面半絕緣GaAs襯底，302為200納米（nm)的GaAs緩沖層， 303 為lOOnm的Ala3GaQ.7As勢皇層，304