区分半导体光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法

摘要

本发明提供区分半导体光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法。该方法通过测量半导体二维电子气在不同温度下的光致逆自旋霍尔效应电流，并通过模型拟合得到半导体二维电子气中电子受到的自旋横向力随温度的变化趋势，若其随温度的增加而增加，则属于非本征机制，若其随温度的增加而减小，则属于本征机制。与现有技术相比，本发明较为简单易行，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明属于半导体自旋电子学领域，具体涉及一种区分半导体二维电子气光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法。

背景技术

半导体二维电子气具有较高的电子迁移率，可以应用于制备场效应器件。此外，它在自旋电子学器件方法也有很好的应用前景。实现自旋电子器件的关键在于有效的自旋注入、探测与调控。光致逆自旋霍尔效应是实现自旋注入与探测的有效手段，它能将自旋流转换成电荷流，从而能在室温下进行探测。所谓光致逆自旋霍尔效应是指用一束高斯分布的圆偏振光垂直入射到样品上，样品吸收圆偏振光，产生电子空穴对。根据跃迁选择定则，这些圆偏振光激发产生的载流子是自旋极化的。由于光斑强度是高斯分布的，因此产生的自旋极化载流子在光斑的径向方向上就存在浓度梯度，从而产生自旋流。由于逆自旋霍尔效应，自旋流中的电子或空穴将受到自旋横向力的作用从而产生切向涡旋电流，这种电流就称为光致逆自旋霍尔电流。与自旋霍尔效应相同，光致逆自旋霍尔效应有两种机制，一种是本征机制，另一种是非本征机制。本征机制是由材料本征能带的自旋轨道耦合效应引起的，非本征机制是由杂质和缺陷的自旋轨道耦合效应引起的。然而，在半导体材料中，这两种机制都可能存在，且很难判断哪种机制占主导。

发明内容

由于在拓导体二维电子气光致逆自旋霍尔效应电流中这两种机制都有可能存在，因此，本发明提供一种区分半导体光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种区分半导体光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法，其包括以下步骤：步骤S1：在半导体二维电子气样品上沉积两个圆形铟电极，将样品用低温胶粘在低温杜瓦上，并对低温杜瓦抽真空，往低温杜瓦里面灌入液氮，并调节温度；步骤S2：将具有高斯分布的激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节四分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；步骤S3：当光斑照在两电极连线的中点时，记录下此时两电极a、b之间的电阻R_ab；用光斑分析仪测得光斑的半高宽σ、光斑半径r₀；步骤S4：将激光光斑从两电极连线的左边沿着两电极的垂直平分线移动到右边，在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到360度，将每一个四分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；步骤S5：将每一个光斑位置处测的随四分之一波片角度变化的光电流用如下的公式进行拟合：

其中J_PISHE为光致逆自旋霍尔效应电流，L₁、L₂为反常线偏振光致电流，J₀为背景电流，为四分之一波片的转角；步骤S6：将步骤S5得到的光致逆自旋霍尔效应电流随光斑位置的变化曲线用如下公式进行拟合：

其中，

r₀为光斑半径，x₀为光斑中心位置坐标，θ_c＝arcos(x₀/r₀),R_ab表示两电极之间的电阻，f₀为电子受到的自旋横向力，q为单位电荷量，σ为光斑的半高宽，I_ab为两电极a、b之间测得的光致逆自旋霍尔效应电流，r_s为饱和吸收区半径，“±”分别对应x₀<0和x₀>0的情况，通过拟合得到电子受到的自旋横向力的大小；步骤S7：改变低温杜瓦的温度，重复S4-S6，从而得到不同温度下的电子自旋横向力；若电子自旋横向力随温度的升高而增大，则其光致逆自旋霍尔效应为非本征机制，若电子自旋横向力随温度的升高而降低，则其光致逆自旋霍尔效应为本征机制。

与现有技术相比，本发明提供的区分半导体光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法较为简单易行，成本低廉。

附图说明

图1是本发明一实施例中的实验光路示意图。

图2是本发明的原理示意图。

图3是本发明一实施例的光电流随四分之一波片角度的数据以及数据拟合示意图。

图4是本发明一实施例光斑与电极示意图。

图5是是本发明的一实施例中不同温度下光致反常霍尔电流随光斑位置变化的曲线。

图6是本发明的一实施例中电子受到的自旋横向力随温度的变化曲线。

【标号说明】1是1064nm激光器，2为斩波器，3为起偏器，4是四分之一波片，5是GaAs/AlGaAs二维电子气样品，6是沉积在样品上的两个圆形电极，7是前置放大器，8是锁相放大器，9是低温杜瓦，21表示激光光强度随空间的分布曲线，22表示电子受到的自旋横向力的方向，23表示自旋流的方向，24表示由圆偏振光激发产生的电子，电子的自旋方向是垂直纸面向里，27表示光强度的饱和吸收区，31表示实验数据，32表示由公式(1)得到的拟合曲线，33表示由拟合得到的L₂分量，34表示由拟合得到的L₁分量，35表示拟合得到的光致逆自旋霍尔电流(PISHE)，36表示拟合得到的背景电流，41表示光斑区域中未吸收饱和的区域，44表示光斑区域中吸收饱和的区域，42表示电极，43的箭头表示涡旋电流的方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

一种区分半导体光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法，其包括以下步骤：

步骤S1：在半导体二维电子气样品上沉积两个圆形铟电极，将样品用低温胶粘在低温杜瓦上，并对低温杜瓦抽真空，往低温杜瓦里面灌入液氮，并调节温度；

步骤S2：将具有高斯分布的激光依次通过斩波器、起偏器、四分之一波片，然后垂直入射在样品两电极连线的中点；调节四分之一波片，使其主轴方向与起偏器的偏振方向平行；

步骤S3：当光斑照在两电极连线的中点时，记录下此时两电极a、b之间的电阻R_ab；用光斑分析仪测得光斑的半高宽σ、光斑半径r₀；

步骤S4：将激光光斑从两电极连线的左边沿着两电极的垂直平分线移动到右边，在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到360度，将每一个四分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集；

步骤S5：将每一个光斑位置处测的随四分之一波片角度变化的光电流用如下的公式进行拟合：

其中J_PISHE为光致逆自旋霍尔效应电流，L₁、L₂为反常线偏振光致电流，J₀为背景电流，为四分之一波片的转角；

步骤S6：将步骤S5得到的光致逆自旋霍尔效应电流随光斑位置的变化曲线用如下公式进行拟合：

其中，

r₀为光斑半径，x₀为光斑中心位置坐标，θ_c＝arcos(x₀/r₀),R_ab表示两电极之间的电阻，f₀为电子受到的自旋横向力，q为单位电荷量，σ为光斑的半高宽，I_ab为两电极a、b之间测得的光致逆自旋霍尔效应电流，r_s为饱和吸收区半径，“±”分别对应x₀<0和x₀>0的情况，通过拟合得到电子受到的自旋横向力的大小；

步骤S7：改变低温杜瓦的温度，重复S4-S6，从而得到不同温度下的电子自旋横向力；若电子自旋横向力随温度的升高而增大，则其光致逆自旋霍尔效应为非本征机制，若电子自旋横向力随温度的升高而降低，则其光致逆自旋霍尔效应为本征机制。

在本发明一实施例中，步骤S6具体包括以下步骤：

步骤S61：在光斑的径向方向，由于自旋极化载流子浓度的梯度，将会产生沿径向的自旋流，D是自旋扩散系数，N_z是沿z方向自旋的载流子浓度；

步骤S62：由于逆自旋霍尔效应，沿径向运动的电子将受到自旋横向力f(r),从而产生横向的涡旋流；自旋横向力表示为其中G(r)是光强度的空间分布，表示z方向的单位矢量，γ是与自旋轨道耦合相关的常数，m^*为电子有效质量，τ_s为自旋迟豫时间；其中，f₀＝m^*γτ_sD；

步骤S63:对应二维导体，圆偏振电动力是由光照引起的，表示为q是单位电荷，R是积分路径的半径，即光斑半径；

步骤S64:当在电场E表示为由斯托克斯公式，得到：

所以，电极a、b两点的电压表示为

步骤S65：电极a,b两点测到的电流为：

其中abo表示沿电极a、b和光斑圆心o的闭合回路，D表示abo三点围成的面积，若设由b到a的方向为正方向，则有

其中，±分别对应光斑在两电极左边和右边的情形，且对面积积分的时候当扣除饱和区域面积积分；

步骤S66：设f点为ab线段上任意一点，线段of与光斑边缘的交点为e，则f点电流I_f和e点电流I_e有如下关系：其中x₀为光斑中心，r₀为光斑半径，L_s为电荷扩散长度，A为常数，θ为of与光斑中垂线的夹角；

因此

其中，

在本发明一实施例中，步骤S7中低温杜瓦的温度变化范围为77-300K。

在本发明一实施例中，所述半导体为单晶结构。

在本发明一实施例中，步骤S1中电极沉积完成后在氮气中进行退火。

本发明一具体实施例中的实验光路示意图参见图1。其中的样品5是用分子束外延生长技术(MBE)在(001)面半绝缘Si衬底上生长的GaAs/AlGaAs调制掺杂异质结，为单晶结构。首先在衬底上生长10个周期的5nm GaAs/5nm Al_0.3Ga_0.7As超晶格，然后生长厚度大于1微米的GaAs层，接着生长30nm的Al_0.3Ga_0.7As，然后进行Si-δ掺杂，再生长50nm后的Al_0.3Ga_0.7As和10nmGaAs盖层。这样就会在GaAs/AlGaAs的界面上形成二维电子气。在室温下测得样品的载流子浓度和迁移率分别为4.78×10¹¹cm^-2和4.16×10³V^-1s^-1。

本实施例采用如下的步骤：

(1)将样品沿[110]和[110]方向解理成1cm×1cm的正方形。并沿[110]方向沉积一对铟电极，电极间距为5mm，电极直径约为0.5mm。然后在温度为420度的氮气氛围中退火15分钟。然后将样品用低温胶将样品粘在低温杜瓦上。往低温杜瓦里面灌入液氮，并将温度调节到77K。

(2)采用如图1所示的测量光路，其中1是1064nm的激光器，激光强度呈现高斯分布，功率为250mW，激光通过2斩波器、3起偏器和4四分之一波片后垂直入射在样品两电极6的垂直平分线上，光斑的直径约为1mm。产生的光电流进入前置放大器7，然后进入锁相放大器8，最好进入数据采集卡并由电脑采集。斩波器的斩波频率为229Hz，锁相放大器的参考频率为斩波器的频率。调节四分之一波片，使得其主轴方向与起偏器的偏振方向平行。

(3)将光斑照在两电极连线的中点，记录下此时两电极之间的电阻R_ab。用光斑分析仪测得光斑的半高宽σ、光斑半径r₀。

(4)将激光光斑从两电极连线的左边1mm处沿着两电极的垂直平分线移动到右边1mm处，步长为0.1mm。在每一个光斑位置处，转动四分之一波片从0度到360度，较佳的，步长为5度，将每一个四分之一波片角度下的光电流输入前置放大器和锁相放大器，然后进入数据采集卡并由电脑采集。

(5)将每一个光斑位置处测的随四分之一波片角度变化的光电流用如下的公式进行拟合：

其中J_PISHE为光致逆自旋霍尔效应电流，L₁、L₂为反常线偏振光致电流，J₀为背景电流，为四分之一波片的转角。

(6)将步骤(5)得到的光致逆自旋霍尔效应电流随光斑位置的变化曲线用如下公式进行拟合：

其中，

r₀为光斑半径，x₀为光斑中心位置坐标，θ_c＝arcos(x₀/r₀),R_ab表示两电极(记为a、b)之间的电阻，f₀为电子受到的自旋横向力，q为单位电荷量，σ为光斑的半高宽，I_ab为两电极ab之间测得的光致逆自旋霍尔效应电流，r_s为饱和吸收区半径，“±”分别对应x₀<0和x₀>0的情况。拟合可以得到电子受到的自旋横向力的大小。

(7)改变低温杜瓦的温度(依次为130K、180K、230K和300K)，重复(4)-(6)，从而得到不同温度下的电子自旋横向力。若电子自旋横向力随温度的升高而增大，则其光致逆自旋霍尔效应为非本征机制，若电子自旋横向力随温度的升高而降低，则其光致逆自旋霍尔效应为本征机制。

图2给出了本发明的原理实验图，21表示激光光强度随空间的分布曲线，即为高斯分布曲线。由于光斑为高斯光斑，所以光激发产生的载流子也是呈现高斯分布。当光为圆偏振光时，根据跃迁选择定制，将会激发产生某一自旋方向的电子，即自旋极化的电子。此时，在光斑的径向方向，由于自旋极化载流子浓度的梯度，将会产生沿径向的自旋流(23)，由于逆自旋霍尔效应，电子将会受到自旋横向力(22)，从而产生围绕光斑的涡旋电流，即光致逆自旋霍尔电流。当激发光的强度较大，超过样品所能吸收的最大光强，就会出现饱和吸收区(27)，在此区域内样品吸收的光强都一样，不存在自旋密度梯度，因此区域不会有自旋流，也就对涡旋流产生贡献。在光斑的径向方向，由于自旋极化载流子浓度的梯度，将会产生沿径向的自旋流，D是自旋扩散系数，N_z是沿z方向自旋的载流子浓度。由于逆自旋霍尔效应，沿径向运动的电子将受到自旋横向力f(r),从而产生横向的涡旋流。自旋横向力可以表示为其中G(r)是光强度的空间分布,表示z方向的单位矢量，γ是与自旋轨道耦合相关的常数，m^*为电子有效质量，τ_s为自旋迟豫时间。因此，其中，f₀＝m^*γτ_sD。对应二维导体，圆偏振电动力(circular>q是单位电荷，R是积分路径的半径(光斑半径)。涡旋流是有涡旋电场引起的，电场E(R)可以表示为由斯托克斯公式，可以得到：所以，电极a、b两点(如图4所示)的电压可以表示为电极a,b两点测到的电流为：其中abo表示沿电极a,b和光斑圆心o的闭合回路，D表示abo三点围成的面积(如图4所示)。因此，若设由b到a的方向为正方向，则有

其中，±分别对应光斑在两电极左边和右边的情形。当光强较大，光斑中心区域的吸收趋于饱和，不存在载流子浓度的梯度，对涡旋电流没有贡献，因此对面积积分的时候应当扣除这部分的面积积分(设饱和区域的半径为r_s)。注意到以上公式只有在光斑区域是适用的，因为，当大于光斑区域时，这个公式就已经不成立了。因此，要将圆外的电流与跟圆边沿上的电流联系起来。设f点为ab线段上任意一点(如图4)，线段of与光斑边缘的交点为e，则f点电流I_f和e点电流I_e有如下关系：其中x₀为光斑中心，r₀为光斑半径，L_s为电荷扩散长度，A为常数，θ为of与光斑中垂线的夹角，如图4。因此，

其中，

r₀为光斑半径，x₀为光斑中心位置坐标，θ_c＝arcos(x₀/r₀),R_ab表示两电极(记为a、b)之间的电阻，f₀为电子受到的自旋横向力，q为单位电荷量，σ为光斑的半高宽，I_ab为两电极ab之间测得的光致逆自旋霍尔效应电流，r_s为饱和吸收区半径，“±”中“+”对应x₀<0，“-”对应x₀>0的情况。拟合可以得到电子受到的自旋横向力的大小。图4中，41表示光斑区域中未吸收饱和的区域，44表示光斑区域中吸收饱和的区域，42表示电极，43的箭头表示涡旋电流的方向。

图3是本实施例中测得的一组光电流随四分之一波片转角的实验数据以及拟合曲线。这组实验数据(图中圆形空心点31)是在300K下测得，光斑中心在离两电极中点左边0.4mm处。其中，实线32是根据公式(1)得到的拟合曲线，33和34是根据公式(1)拟合得到的L₂和L₁分量，长虚线35是拟合得到的光致逆自旋霍尔电流，点划线36是拟合得到的背景电流，改背景电流主要是由光伏效应和丹培效应引起的。

图5为本实施例测得的温度分别在77K、130K、180K、230K和300K下的光致逆自旋霍尔电流随光斑位置的变化曲线，其中矩形点为实验测量数据，实线为根据公式(2)的理论拟合曲线。根据拟合结果可以得到不同温度下的电子所受自旋横向力，如图6所示。可见，随温度增加，电子所受自旋横向力增大，表面其为非本征机制。原因如下：

对于二维电子气样品来说，由本征机制引起的光致逆自旋霍尔效应，其电子受到的自旋横向力可以表示为其中，τ_s为自旋迟豫时间，为普朗克常数，α、β分别为Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合系数。由于二维电子气中自旋迟豫时候和动量迟豫时间有如下关系：且τ_p∝μe/m^*，τ_p∝μe/m^*而μ∝T^-2。因此其中，T为温度，E_1e为量子限制能。由于在二维电子气中Rashba自旋轨道耦合系数α比Dresselhaus自旋轨道耦合系数β大得多，则有由于Rashba自旋轨道耦合系数α随温度的增加而线性增加，即α∝T，且自旋扩散系数与温度有如下关系：D∝T^-2，我们可以得到可见，对于本征机制来说，其电子所受的自旋横向力应该随温度的增加而减小。由于我们所测得的电子自旋横向力随温度的增加而增加，因此不属于本征机制，应该属于非本征机制。

从上述实施例中可以看出，本发明提供一种区分半导体二维电子气光致逆自旋霍尔效应本征与非本征机制的方法，本方法的实现比较方便，成本低。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。