半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法，检测系统包括单色圆偏振光源、半导体二维电子气样品、压电陶瓷片、高压交流信号源、锁相放大器和电阻；所述单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品；所述压电陶瓷片对半导体二维电子气样品施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源向压电陶瓷片提供驱动电压；所述电阻与半导体二维电子气样品串联成一个回路；所述锁相放大器检测流经电阻的电流。本发明专利技术的检测灵敏度高，增强了CPGE技术的可靠性与优越性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法。
技术介绍
半导体自旋电子学是研制自旋场效应晶体管等新型电子器件的新兴学科。这类新型自旋电子器件在功耗、集成密度、数据处理速度等方面将具有明显的优点。半导体二维电子气系统是上述新型自旋电子器件及物理研究的核心结构。向此二维电子气系统中有效注入自旋光电流并进行高灵敏度探测，是自旋电子学及自旋电子器件发展的前提条件。基于圆偏振光电效应的光电流测试技术，简称为圆偏振自旋光电流(CPGE)技术，是研究半导体二维电子气系统中自旋光电流的主要新型实验技术手段之一，其工作原理是：在单色右(或左)圆偏振光激发下，由于光学跃迁、动量与能量守恒等多重定则的作用，基级子带上只有特定的电子才能跃迁到更高子带上，这就导致电子在k空间分布的不均匀，从而在实空间内相应的产生零偏压静电流，即所谓的圆偏振自旋光电流(简称为CPGE电流)。另外两种主要研究半导体二维电子气自旋特性的实验技术手段分别是基于磁电阻Shubnikov-de Haas振荡拍频效应(简写为SdH)和反弱局域效应(简写为WAL)的低温液氦磁输运实验技术。相比于低温液氦磁输运技术，CPGE技术可以在室温下进行测试。这使得CPGE技术测试系统复杂度大大简化，并且极大降低了在被测样品表面上制备欧姆电极的难度。该技术的光电流探测灵敏度相对较高、可直接在光电流与能带自旋分裂之间建立联系。尽管如此，CPGE技术也存在着明显的缺点，具体表现在：一，在实际测量中，圆偏振光激发产生的总电流(简称为圆偏振总光电流)中不仅包含CPGE电流，还包括其它效应产生的光电流和背景电流噪声，而CPGE电流的强度与这些电流相比，要弱小一到两个量级，对CPGE电流的探测灵敏度仍有待大幅提高；二，CPGE技术，同SdH、WAL等其它实验技术一样，难以直接从对CPGE电流的测量来确定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。CPGE技术的这两个缺点，降低了该技术对自旋特性进行检测和研究的有效性，限制了其在自旋电子学
内的应用范围。目前，国内外有很多研究组在尝试改进上述CPGE技术、提高其在半导体二维电子气CPGE电流探测研究方面的应用。针对CPGE技术的光电流探测灵敏度依然较低的缺点，有人在倡导和尝试将各种调制技术，如微波调制、电调制、掺杂调制等，引入到该领域的实验研究当中来。这些调制技术可以在一定程度上提高对CPGE电流进行探测的灵敏度。针对CPGE技术的上述第二个缺点，有研究组尝试在对CPGE电流进行测试的同时对半导体二维电子气样品施加静态单轴应力的作用。利用单轴应力的作用，通过造成与不同能带自旋分裂相关联的CPGE电流分量的强度发生相对变化，从而达到分辨出二维电子气系统中何种因素是能带自旋分裂的决定性机理的目的。然而，上述改进方法均使得实验系统可操作性与可靠性大幅降低。并且，这些方法的提出，都只能有限改进上述CPGE技术缺点的一个方面，而不能同时对上述两个方面的缺点进行改进。由此可见，在上述研究的基础上，非常有必要继续寻找合适的研究方案，对现有CPGE技术的两个主要缺点进行改进，并应用于半导体二维电子气系统。这是半导体自旋电子学领域亟需解决的关键科学与技术问题，有利于促进高效新型自旋电子器件的研究与发展。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法，提高检测的灵敏度，增强CPGE技术的可靠性与优越性。为了解决上述技术问题，本专利技术所提供的技术方案是：半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，包括单色圆偏振光源、半导体二维电子气样品、压电陶瓷片、高压交流信号源、锁相放大器和电阻；所述单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品；所述压电陶瓷片对半导体二维电子气样品施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源向压电陶瓷片提供驱动电压；所述电阻与半导体二维电子气样品串联成一个回路；所述锁相放大器检测流经电阻的电流。所述单色圆偏振光源由二极管泵浦的亚纳秒级固体脉冲激光器的线偏振激光斜入射通过四分之一玻片或者电光调制器后产生；所述固体脉冲激光器的型号为HLX-I-F020-000。所述半导体二维电子气样品为半导体GaN二维电子气样品，包括在蓝宝石衬底上依次排列生长的GaN缓冲层、GaN本征层和Al25Ga75N势垒层，其中GaN缓冲层的厚度为1000nm，GaN本征层的厚度为2000nm，Al25Ga75N势垒层的厚度为25nm；所述半导体GaN二维电子气样品的电子气浓度大于1013cm-2，电子迁移率大于1500cm2/Vs；所述半导体GaN二维电子气样品的表面欧姆电极的制备通过电子束蒸发技术蒸渡多层金属薄膜完成。所述压电陶瓷片为按d33方式极化的锆钛酸铅多晶陶瓷片，在厚度方向上施加交变电压，在陶瓷平面上产生应力调制。所述高压交流信号源为普通的自制电压信号源设备，其输出电压范围在0到2000V之间，电压频率的调节范围为10Hz至1kHz之间，并附带频率信号输出端口。所述锁相放大器采用型号为Stanford SR830的通用锁相放大器，频率范围为1mHz到102.4kHz，相位精度为0.01°。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。为了解决上述技术问题，本专利技术所提供的技术方案是：半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，包括以下步骤：①、通过用单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品的同时，利用压电陶瓷片对半导体二维电子气样品施加周期性变化的应力；高压交流信号源向压电陶瓷片提供驱动电压，并且同时向锁相放大器提供参考频率信号；②、利用锁相技术及锁相放大器测量得到的流经电阻的电流，即圆偏振总光电流；③、通过CPGE电流唯象理论与分析方法，从圆偏振总光电流中提取出CPGE电流的强度，并判定哪种因素是半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。所述步骤①具体为：通过单色圆偏振光源斜照射半导体二维电子气样品的上表面，同时开启并设置高压交流信号源的输出电压强度为500V、输出电压频率为200Hz，高压交流信号源一方面通过驱动压电陶瓷片来对半导体二维电子气样品施加周期性应力作用，另一方面向锁相放大器提供参考频率信号。所述步骤③中提取出CPGE电流的强度的具体方法为：CPGE电流唯象理论与数学拟合方法，从圆偏振光电流随相位角变化的曲线，即曲线中本文档来自技高网...

【技术保护点】
半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：包括单色圆偏振光源(1)、半导体二维电子气样品(2)、压电陶瓷片(3)、高压交流信号源(4)、锁相放大器(5)和电阻(6)；所述单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)；所述压电陶瓷片(3)对半导体二维电子气样品(2)施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源(4)向压电陶瓷片(3)提供驱动电压；所述电阻(6)与半导体二维电子气样品(2)串联成一个回路；所述锁相放大器(5)检测流经电阻(6)的电流。

【技术特征摘要】
1.半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：包括单色圆偏
振光源(1)、半导体二维电子气样品(2)、压电陶瓷片(3)、高压交流信号源(4)、锁
相放大器(5)和电阻(6)；所述单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)；
所述压电陶瓷片(3)对半导体二维电子气样品(2)施加周期性变化的应力；所述高压
交流信号源(4)向压电陶瓷片(3)提供驱动电压；所述电阻(6)与半导体二维电子
气样品(2)串联成一个回路；所述锁相放大器(5)检测流经电阻(6)的电流。
2.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特
征在于：所述单色圆偏振光源(1)由二极管泵浦的亚纳秒级固体脉冲激光器(8)的线
偏振激光斜入射通过四分之一玻片或者电光调制器(9)后产生；所述固体脉冲激光器
(8)的型号为HLX-I-F020-000。
3.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特
征在于：所述半导体二维电子气样品(2)为半导体GaN二维电子气样品，包括在蓝宝
石衬底上依次排列生长的GaN缓冲层、GaN本征层和Al25Ga75N势垒层，其中GaN缓冲层
的厚度为1000nm，GaN本征层的厚度为2000nm，Al25Ga75N势垒层的厚度为25nm；所述
半导体GaN二维电子气样品的电子气浓度大于1013cm-2，电子迁移率大于1500cm2/Vs；
所述半导体GaN二维电子气样品的表面欧姆电极的制备通过电子束蒸发技术蒸渡多层金
属薄膜完成。
4.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特
征在于：所述压电陶瓷片(3)为按d33方式极化的锆钛酸铅多晶陶瓷片，在厚度方向
上施加交变电压，在陶瓷平面上产生应力调制。
5.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特
征在于：所述高压交流信号源(4)为普通的自制电压信号源设备，其输出电压范围在0
到2000V之间，电压频率的调节范围为10Hz至1kHz之间，并附带频率信号输出端口。
6.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特
征在于：所述锁相放大器(5)采用型号为Stanford SR830的通用锁相放大器，频率范
围为1mHz到102.4kHz，相位精度为0.01°。
7.半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：包
括以下步骤：
①、通过用单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)的同...

【专利技术属性】
技术研发人员：余晨辉，罗向东，刘培生，徐炜炜，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：