[发明专利]一种调控闪锌矿结构半导体量子阱自旋轨道耦合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体自旋电子学领域，具体涉及一种调控闪锌矿结构半导体量子阱自旋轨道耦合的方法。

背景技术

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。自旋电子学的其中一个分支为半导体自旋电子学，它是通过自旋轨道耦合产生的等效磁场对电子的自旋状态进行调控。由于它能跟传统的半导体工艺较好的兼容且不需要施加外加磁场，因此具有很好的应用前景。在半导体自旋电子学的研究中，自旋轨道耦合成为当前的研究热点。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(bulkinversionasymmetry，BIA)和界面反演不对称(interfaceinversionasymmetry，IIA)引起的Dresselhaus自旋轨道耦合，另一种是由结构反演不对称(structureinversionasymmetry，SIA)引起的Rashba自旋轨道耦合。这两种自旋轨道耦合之间会发生相互作用，从而导致在不同的晶体方向上自旋轨道分裂的大小不同。对于(001)导向的闪锌矿结构量子阱样品，当Rashba与Dresselhaus自旋轨道耦合具有相同的强度时，主要的自旋弛豫机制(即Daykonov-Perel机制)就会被抑制，电子的自旋寿命将大大延长，这将有助于实现新型的自旋电子器件。因此，对Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合及其比值的主动调控对于半导体自旋电子学具有重要的意义。

目前，根据其他文献的报道，可以通过改变量子阱的势垒层中调制掺杂的位置，或者通过台阶量子阱结构，或者改变环境温度来调控Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值。然而，这两种方法结构较为复杂，最后一种方法需要引入变温系统，操作难度较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种调控闪锌矿结构半导体量子阱自旋轨道耦合的方法，能够简便快捷且有效的调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合比值。

本发明采用以下方案实现：一种调控闪锌矿结构半导体量子阱自旋轨道耦合的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：选择符合条件的半导体量子阱材料；

步骤S2：用分子束外延设备生长不同阱宽的半导体量子阱；

步骤S3：测量步骤S2中半导体量子阱的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合比值。

进一步的，所述步骤S1中所述的条件为：所述半导体量子阱材料为闪锌矿结构、所述半导体量子阱材料为单晶并且所述半导体量子阱材料的阱宽为几纳米到十几纳米。

进一步的，所述步骤S2中生长不同阱宽的半导体量子阱，此阱宽的变化范围为几纳米到十几纳米。

进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：用圆偏振光照射半导体量子阱，入射角为30度到45度之间，分别测得所述半导体量子阱中由Rashba自旋轨道耦合引起的光电流I_SIA和由Dresselhaus自旋轨道耦合引起的光电流I_BIA；

其中，I_SIA∝ατ_pP_cM，I_BIA∝βτ_pP_cM；α为Rashba自旋轨道耦合参数，其强度正比于Rashba自旋轨道耦合的强度，β为Dresselhaus自旋轨道耦合参数，其强度正比于Dresselhaus自旋轨道耦合的强度，τ_p为动量弛豫时间，P_c为入射激发光的圆偏振度，M为入射激发光的强度；

步骤S32：计算在某一入射角下的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值

步骤S33：换不同阱宽的样品，重复步骤S31和S32。

本发明还可以通过以下方法实现：一种调控闪锌矿结构半导体量子阱自旋轨道耦合的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：选择符合条件的半导体量子阱材料；

步骤S2：用分子束外延设备在半导体量子阱的其中一个界面上插入超薄InAs层，即在半导体量子阱的阱层和垒层之间插入超薄InAs层；其中超薄表示所述InAs层的厚度在0.5至3个单原子层之间；

步骤S3：测量半导体量子阱的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合比值。