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半导体自旋电子学旨在结合已有的较成熟的半导体工艺将电子的自旋自由度加以应用,从而实现能耗更低、速度更快、尺度更小的自旋电子学器件。自旋轨道耦合作为自旋电子学,尤其是自旋调控的重要手段和自旋弛豫的影响机制,是自旋领域的研究热点,而光电流效应正是研究半导体材料及其低维结构中自旋电子学的有力手段。本文通过圆偏振光电流效应(CPGE)研究了GaN基异质结构中的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合,并对InN薄膜中的CPGE电流进行了研究,此外还在室温下观测到了GaN基异质结构中的光致反常霍尔效应,主要研究结果如下:
1.研究了AlxGa1-xN/GaN异质结构中二维电子气(2DEG)的自旋轨道耦合效应。通过加应变的CPGE实验观测了AlxGa1-xN势垒层中Al组分对2DEG的Rashba自旋轨道耦合的调制,确认Rashba自旋轨道耦合随着Al组分的增大而增强。通过测量外加单轴应变条件下CPGE电流的变化确定了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合系数的比值,结合Shubnikov-deHaas磁阻振荡实验测得了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中2DEG总的自旋轨道耦合系数,并通过Schrodinger Poisson方程自洽解得到2DEG的不同子带的波函数,首次确定了GaN体材料中Dresselhaus自旋轨道耦合系数为0.4 eV A3。
2.研究了InN薄膜中的体反演非对称导致的CPGE效应。根据晶格对称性分析了不同极性面生长的InN薄膜中体反演非对称导致的CPGE电流与入射光方向的关系,测量了c面和a面InN薄膜中CPGE电流随入射角的变化关系。在a面的InN薄膜中,通过测量偏振光入射面为(0001)面的CPGE电流,观测到了InN中自旋轨道耦合的各向异性。
3.研究了InN薄膜中表面电子堆积层导致的CPGE效应。在a面InN薄膜中沿[0001]方向探测到了表面电子堆积层贡献的CPGE电流,比体材料中的CPGE电流小一个数量级,确认其来源于表面电场导致的结构反演非对称。利用离子液体作为介质层,通过栅压调制c面InN薄膜中表面电场和表面电子浓度,发现随着栅压增大CPGE电流逐渐减小,表明InN薄膜的表面电场导致了较强的自旋劈裂。实验确认通过离子液体作为介质层可以简单而有效地实现对表面电场及自旋轨道耦合的栅压调制。
4.研究了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中的光致反常霍尔效应。在室温下通过光注入自旋极化的方法观测到反常霍尔电流随着纵向电场增大而线性增大,反常霍尔电导率被测定为σAH=9.0×10-10Ω-1。因为Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中2DEG有较强的Rashba自旋轨道耦合,我们认为本征的反常霍尔机制对观测到的反常霍尔电流有贡献。