一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合参数的方法技术

本发明专利技术的一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合参数的方法属于半导体自旋电子学技术领域。具体步骤包括：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；将步骤样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。本发明专利技术提供的调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法可行性高，而且可以原位进行，不需要制备新的样品，能够分别实现两种参数的独立调控，调控效果显著。

【技术实现步骤摘要】
一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合参数的方法
本专利技术属于半导体自旋电子学
，具体涉及一种独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数的方法。
技术介绍
随着自旋电子学的发展，对电子自旋特性的研究成为当前凝聚态物理领域最热门的研究方向。具有相对论效应的自旋轨道耦合能够将电子的自旋和轨道运动紧密联系起来，进而可利用自旋轨道耦合作用实现对电子自旋的全电学操控并制备自旋场效应晶体管和量子比特。半导体化合物构成的量子阱中自旋轨道耦合相互作用主要由两部分组成：一种是由于材料缺乏体反演对称中心而产生的Dresselhauss效应，包含波矢的线性项和立方项两部分，其强度分别由参数β和γ决定(其中β＝γkz2，kz反比于量子阱的宽度)；另一种是由量子阱内的电子波函数非对称性引发的Rashba效应，只对应于波矢的线性项，其强度由参数α决定。研究表明，当线性项α和β的绝对值相等时，电子自旋弛豫将被完全抑制，从而解决了强自旋轨道耦合作用所带来的短自旋耗散长度的问题。有鉴于此，实现对不同自旋轨道耦合参数α和γ的独立调控将对于自旋电子器件的研发以及许多自旋轨道相关实验现象的深入研究都具有非常重要的意义。迄今，人们对半导体量子阱自旋轨道耦合的调控进行过许多尝试：利用GaAs电场诱导载流子分布导致的能谷相变可以实现对自旋轨道耦合的电场调控：但该调控是不连续的且很难在其它材料中实现，不具有普适性；利用合金中元素的比例调整来改变材料的自旋轨道耦合：但该调控不是原位进行的且所制备的样品因组分不同而引入缺陷和杂质，进而使问题复杂化并不利于定量分析；通过改变量子阱宽是独立调控Dresselhaus自旋轨道耦合参数的有效方法：但该方法需要制备不同量子阱样品，成本较高且不能进行原位调控；通过光照和变温可以实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合比值的调控：但该方法需要改变样品温度才能实现调控，而且不能实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控；通过栅极电压改变样品限制层结构的对称性通常认为是独立调控半导体量子阱Rashba参数α的可行性方法：但该技术仅限于α占主导的样品，因为电子密度的变化同样会影响Dresselhaus参数γ；压力是原位调控自旋轨道耦合参数的有效方法：但是由压力导致的材料能带结构的改变会引起α和γ的同时变化，因此压力本身并不能实现上述两种自旋轨道耦合参数的独立调控。综上，目前对半导体量子阱自旋轨道耦合强度的调控还有待进一步完善。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种结合压力和栅极两种实验技术来实现独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法，该方法可行性高，可以原位进行，并且调控效果显著。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，具体包括以下步骤：步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；步骤S2：将步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。进一步地，在步骤S1中，半导体量子阱材料为非对称掺杂的化合物半导体；半导体量子阱样品要制备成霍尔条形器件并具备可控金属栅极。进一步地，在步骤S2中，所述电测量高压腔能够实现样品的电阻测量；霍尔条形器件电极与高压腔引线间用导电银胶连接；高压腔中封入液态传压介质用以保护样品和对样品施加压力；所述压力为静水压力；压腔中装入发光二极管用以照射样品；利用微控型液压机改变压腔内的压力；利用电压源在金属栅极上施加电压。进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：步骤S31：将步骤S2中所述电测量高压腔置于低温综合物性测试设备中，将样品温度从室温缓慢降至低温，测量样品在零磁场附近的磁阻变化，得到由自旋轨道耦合作用引起的反弱局域化磁阻信号，注意所述低温以能够观测到清晰的反弱局域化磁阻信号为准；步骤S32：利用反弱局域化理论中广泛采用的Iordanskii,Lyanda-Geller,andPikus(ILP)模型对步骤S31中测得的实验数据进行拟合，得到拟合参数HR和HD，并通过公式和计算Rashba自旋轨道耦合强度参数α和Dresselhauss自旋轨道耦合强度参数γ，其中为约化普朗克常数，m*为有效质量，e为电子电荷，ns为量子阱的载流子密度；步骤S33：通过改变压力和栅极电压，实现Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数α和γ的独立调控。相较于现有的技术，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法可行性高，而且可以原位进行，不需要制备新的样品。2、本专利技术提供的调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法能够分别实现两种参数的独立调控，并且调控效果显著。附图说明图1是本专利技术的实施例中InSb量子阱样品的层状结构示意图。图2是本专利技术的实施例中所使用电测量高压腔的结构示意图图3是InSb量子阱器件在高压腔内的组装示意图。图4是本专利技术的实施例中在压力P＝1.15GPa，不同栅极电压条件下测得的反弱局域化实验结果和相应的理论拟合结果。图5在栅极电压V＝-3V时，不同压力条件下测得的反弱局域化实验结果和相应的理论拟合结果。图6是本专利技术的实施例中通过压力和栅极电压对Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数α和γ进行调控的结果。具体实施方式实施例1本专利技术的总体过程下面结合附图，对本专利技术的整体技术方案进行具体说明。本专利技术为一种独立调控半导体量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数的方法。通过同时改变样品的压力和栅极电压，可实现对InSb量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合强度参数α和γ的独立调控，具体包括如下步骤，步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；步骤S2：将所述步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。实施例2步骤S1的具体实施步骤S1所选用的样品为InSb量子阱，其层状结构示意图如图1所示，从下到上依次为(001)面半绝缘GaAs衬底，4微米(μm)的Al0.1In0.9Sb和Al0.2In0.8Sb交替生长的缓冲层，20纳米(nm)的Al0.2In0.8Sb势垒层，20nm的InSb量子阱，15nm的Al0.2In0.8Sb势垒层，Siδ-掺杂，5nm的Al0.2In0.8Sb本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，具体包括以下步骤：/n步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；/n步骤S2：将步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；/n步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。/n

【技术特征摘要】
1.一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：选用非对称掺杂和具有可控金属栅极的半导体量子阱样品；
步骤S2：将步骤S1中的样品装进活塞套筒型电测量高压腔，对样品施加压力和栅极电压；
步骤S3：利用反弱局域化测量得到Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合参数，通过同时调节压力和栅极电压实现两种自旋轨道耦合参数的独立调控。


2.根据权利要求1所述的一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，其特征在于，在步骤S1中，半导体量子阱材料为非对称掺杂的化合物半导体；半导体量子阱样品要制备成霍尔条形器件并具备可控金属栅极。


3.根据权利要求1所述的一种独立调控半导体量子阱自旋轨道耦合强度参数的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述电测量高压腔能够实现样品的电阻测量；霍尔条形器件电极与高压腔引线间用导电银胶连接；高压腔中封入液态传压介质用以保护样品和对样品施加压力；所述压力为静水压力；压腔中装入发光二极管用以照射样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凯锋，李恒梅，刘洪武，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22