一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体自旋电子学领域，具体涉及一种区分光致反常霍尔效应本征机 制和非本征机制的方法。
【背景技术】
[0002] 电子有两种属性，一种是自旋属性，另一种是电荷属性。由于操作电子自旋要 比操作电荷所需要的能量小得多，因此以自旋作为信息载体的自旋电子学引起了人们的 广泛关注。自旋轨道耦合提供了一种通过电场来产生和操纵自旋的方法。自旋轨道耦 合有两种不同的来源，一种是由体反演不对称性（bulk inversion asy_etry，BIA)引 起的Dresselhaus自旋轨道親合，另一种是由结构反演不对称（structure inversion asymmetry，SIA)引起的Rashba自旋轨道親合。光致反常霍尔效应提供了一种利用半导体 的自旋轨道耦合来实现半导体自旋电子器件的方法。与自旋霍尔效应相似，光致反常霍尔 效应也有两种机制，即本征机制和非本征机制。非本征机制是由杂质的非对称Mott-skew 散射或side-jump散射引起，本征机制是由体系的Rashba和Dresselhaus自旋轨道親合引 起的散射，只与体系的能带结构有关。对于一个给定的体系，通常本征机制和非本征机制都 会对光致反常霍尔效应有贡献，而且这两种机制的贡献较难区分。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制的方 法，能够简便快捷且有效的区分光致反常霍尔效应本征机制和非本征机制。
[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种区分光致反常霍尔效应本征机制和 非本征机制的方法，包括以下步骤：
[0005] 步骤Sl :选择符合预设条件的闪锌矿半导体量子阱材料；
[0006] 步骤S2 :在相同的生长条件下生长两个不同阱宽的闪锌矿半导体量子阱，即第一 半导体量子阱以及第二半导体量子阱；
[0007] 步骤S3 :分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致反 常霍尔效应电流以及普通光电流信号，并对应得到两个半导体量子阱的光致反常霍尔电导 对普通光电导信号的比值；
[0008] 步骤S4 :分别测量所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的光致电 流效应电流，并对应将分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道親合引起的光致电流效应 电流分离出来；
[0009] 步骤S5 :根据测得的光致反常霍尔电导、普通光电导以及光致电流效应电流列方 程，并求解出本征和非本征机制对光致反常霍尔效应电流的贡献。
[0010] 在本发明一实施例中，所述步骤Si中所述预设条件为：半导体量子阱材料为闪锌 矿结构，且为单晶，半导体量子阱材料的阱宽为1纳米到20纳米。
[0011] 在本发明一实施例中，所述步骤S3还包括以下步骤：
[0012] 步骤S31 :将被测半导体量子阱沿[110]和[110]方向解理成4X4mm2的方块，在
[110]方向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径Imm的圆形电极，电极间距为3mm，即 第一圆形电极以及第二圆形电极；在[110]方向沉积两个大小为〇. 5X3mm2的条形电极，SP 第一条形电极以及第二条形电极，电极间距为3mm ;
[0013] 步骤S32 :采用一重复频率为80MHz模式锁模的第一 Ti-蓝宝石激光器作为光源， 通过电脑控制所述第一 Ti-蓝宝石激光器，使其输出的光波长为被测半导体量子阱对应第 一重空穴子带到第一电子子带跃迀的波长位置；
[0014] 步骤S33 :光源出来的光分别经过第一偏振片、第一光弹性调制器以及第一斩波 器后，垂直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟 为0. 25个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz ;光斑的直径为2mm ;在第一条形电极以及 第二条形电极上加直流电压，电压大小为1伏到50伏，同时将第一圆形电极以及第二圆形 电极上的电流引出并接入第一前置放大器以及第一锁相放大器，通过第一数据采集卡以及 电脑将所述第一圆形电极以及所述第二电极上测得的与所述第一光弹性调制器一倍频信 号同频率的信号提取出来，并将该电流作为光致反常霍尔效应电流；
[0015] 步骤S34 :重复所述步骤S33,测得不同直流电压下的被测导体量子阱的光致反常 霍尔效应电流Iahe，通过公式
对应计算出不同直流电压下被测量子阱的光 致反常霍尔电导其中，S为光致反常霍尔电流的横截面积，λ表示光的螺旋，i表示 夹在两条形电极间的电场强度；将不同偏压下的光致反常霍尔电导取平均，得到平均光致 反常霍尔电导
[0016] 步骤S35 :通过重复所述步骤S31、所述步骤S32、所述步骤S33以及所述步骤S34， 分别测得所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的平均光致反常霍尔电导，并 分别用卜以以及^^表示；
[0017] 步骤S36 :采用重复频率为80MHz模式锁模的所述第一 Ti-蓝宝石激光器作为光 源，光源出来的光经过所述第一偏振片、所述第一光弹性调制器以及所述第一斩波器后，垂 直入射在被测半导体量子阱的四个电极中心；所述第一光弹性调制器的位相延迟为〇. 25 个波长；所述第一斩波器的频率为229Hz ;光斑的直径为2_ ;此时，打在被测半导体量子阱 的光功率以及光的波长与所述步骤S33中打在被测半导体量子阱上的光功率和光波长相 同；在所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极上施加直流电压，电压大小为〇. 1伏到50 伏，将所述第一圆形电极以及所述第二圆形电极两端的光电流信号接入所述第一前置放大 器以及所述第二锁相放大器；最后，通过所述第一数据采集卡以及电脑将所述第一圆形电 极以及所述第二圆形电极上测得的与所述第一斩波器同频率的信号提取出来，并将该电流 作为普通光电流信号；
[0018] 步骤S37 :分别用IpeJP Ipe2表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子 阱的普通光电流信号，通过公另
·计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半 导体量子阱的普通光电导（σ ?^和。)2，其中，S2为普通光电流的横截面积，V为加在两 个圆电极间的电压，L为两个圆电极间的间距；
[0019] 步骤S38 :分别求出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱光致反常 霍尔电导对普通光电导信号的比值，即
>
[0020] 在本发明一实施例中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
[0021] 步骤S41 :将被测半导体量子阱沿[110]和[110]方向解理成4X4mm2的方块，在
[100]方向上沉积两个圆形的铟电极，电极大小为直径Imm的圆形电极，电极间距为3mm，即 第三圆形电极以及第四圆形电极；
[0022] 步骤S42 :采用一重复频率为80MHz模式锁模的第二Ti-蓝宝石激光器作为光源， 光源出来的光经过第二偏振片以及第二光弹性调制器后，入射在被测半导体量子阱的第三 圆形电极和第四圆形电极的中心，入射角为30度到45度之间，第二光弹性调制器的位相延 迟为0. 25个波长，光斑的直径为2_，入射光的波长与所述步骤S3中测量光致反常霍尔效 应电流以及普通光电流的波长相同；光的入射面沿[010]方向，将所述第三圆形电极以及 所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相放大器；最后，通过 第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极上测得的与所述第 二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将此电流作为Rashba自旋轨道耦 合引起的光致流电效应电流；
[0023] 步骤S43 :旋转被测半导体量子阱，将光的入射面调整为沿[100]方向，将所述 第三圆形电极以及所述第四圆形电极上的电流引出并接入第二前置放大器以及第三锁相 放大器；最后，通过第二数据采集卡以及电脑将所述第三圆形电极以及所述第四圆形电极 上测得的与所述第二光弹性调制器一倍频信号同频率的信号提取出来，并将该电流作为 Desselhaus自旋轨道親合引起的光致流电效应电流；
[0024] 步骤S44 :重复所述步骤S41至所述步骤S43,测得所述第一半导体量子阱以及所 述第二半导体量子讲分别由Rashba以及Dresselhaus自旋轨道親合引起的光致电流效应 电流，分别用I ri以及I ^表示所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱由Rashba 自旋轨道耦合引起的光致电流效应电流，用Idi以及I d2表示所述第一半导体量子阱以及所 述第二半导体量子讲由Desselhaus自旋轨道親合引起的光致电流效应电流。
[0025] 在本发明一实施例中，所述步骤S5具体包括以下步骤：
[0026] 步骤S51 :以所述第一半导体量子阱作为参考样品，得到比
并记 此比值为S1;
[0027] 步骤S52:分别计算出所述第一半导体量子阱以及所述第二半导体量子阱的 Rash