光致反?；魻栃淖儨販y量裝置及測量方法
【專利摘要】一種光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，包括：一激光光源；一信號采集系統(tǒng)用于對采集的信號進行處理，得到圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏鳎灰还鈱W斬波器置于激光光源的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連；一光學起偏器位于該光學斬波器的光路上，用于控制激光的偏振方向；一光彈性調制器置于光學起偏器的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連；一光學凸透鏡位于光彈性調制器的光路上，用于調整激光光斑打到樣品表面的大小；一變溫液氮杜瓦樣品座于光學凸透鏡的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連；一直流電壓源用于給變溫液氮杜瓦樣品座中的待測樣品施加外電壓；一直流電流源在測量普通光電流時提供直流電流。
【專利說明】光致反?；魻栃淖儨販y量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體電學性質測試【技術領域】，特別是指涉及一種光致反?；魻栃淖儨販y量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]當前，制備自旋電子器件的難題之一是如何解決在傳統(tǒng)的半導體材料中實現(xiàn)自旋極化輸運。人們長久以來研究的重點是如何利用鐵磁半導體、稀磁半導體、半金屬等強自旋極化材料向非磁性材料中注入自旋極化載流子。但這些方案都必須利用磁性離子摻雜甚至磁場，同時摻雜帶來的較低的居里溫度和半導體工藝的兼容性問題給自旋電子學器件的應用帶來很大困難。自旋霍爾效應是一個新型的量子霍爾效應，是目前凝聚態(tài)領域中一個相當熱門的研究方向。由于相對論效應自旋軌道耦合的存在，人們發(fā)現(xiàn)在半導體材料中，一個縱向加載的電場除了產生縱向電流以外，還會在垂直于電場的方向上產生自旋流，這個現(xiàn)象就是自旋霍爾效應。自旋霍爾效應為自旋注入提供了一種不需要外磁場或磁性材料，而且與現(xiàn)有半導體工藝完全兼容的產生途徑。因此，自旋霍爾效應極具潛在的應用前景。
[0003]目前探測半導體自旋霍爾效應最常用的方法是利用光學方法測量Kerr轉角，但是這種方法測量的只是垂直于電場方向的自旋積累并非自旋流，而且被測樣品需放置在極低的溫度(液氦)環(huán)境中。本發(fā)明中的光致反?；魻栃湓硎窃诳v向加載電場的同時，用圓偏振光激發(fā)自旋極化的載流子，此時我們在垂直于電場的方向上探測到圓偏振光電流。光致反常霍爾效應可以在低溫甚至室溫下被觀測到，并且測量方法簡單，易于操作。更重要的是，光致反?；魻栃举|上來源于自旋霍爾效應，通過研究光致反常霍爾效應，可以間接研究半導體材料中自旋霍爾效應的產生機制。我們發(fā)明的這種光致反?；魻栃淖儨販y量裝置及方法，為自旋極化的輸運研究提供了新的手段和方法。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)及測量方法。利用該系統(tǒng)，可以改變電場強度和樣品溫度，通過光學方法注入自旋極化載流子，測量垂直于電場方向的圓偏振自旋極化光電流以及與偏振無關的普通光電流。該系統(tǒng)成本低，易于搭建，非常適合實驗室或工業(yè)應用。
[0005]本發(fā)明提供一種光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，包括:
[0006]一激光光源，該激光光源提供光學系統(tǒng)的信號源；
[0007]—信號采集系統(tǒng)，該信號采集系統(tǒng)用于對采集的信號進行處理，得到圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏?；
[0008]一光學斬波器，該光學斬波器置于激光光源的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連；
[0009]—光學起偏器，該光學起偏器位于該光學斬波器的光路上，用于控制激光的偏振方向；
[0010]一光彈性調制器，該光彈性調制器置于光學起偏器的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連；
[0011]一光學凸透鏡，該光學凸透鏡位于光彈性調制器的光路上，用于調整激光光斑打到樣品表面的大小；
[0012]一變溫液氮杜瓦樣品座，該變溫液氮杜瓦樣品座位于光學凸透鏡的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連；
[0013]一直流電壓源，該直流電壓源用于給變溫液氮杜瓦樣品座中的待測樣品施加外電壓；
[0014]一直流電流源，該直流電流源在測量普通光電流時提供直流電流。
[0015]本發(fā)明還提供一種光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)的測量方法，該方法是采用權利要求1所述的變溫測量系統(tǒng)，包括如下步驟:
[0016]步驟1:在待測樣品61表面做兩對歐姆電極，其中一對條形歐姆電極用于加偏壓，另一對圓形歐姆電極用于提取圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏?；
[0017]步驟2:將做好歐姆電極的待測樣品固定于變溫液氮杜瓦樣品座的紫銅冷指頂端，并將待測樣品四個歐姆電極分別與變溫液氮杜瓦樣品座中的同軸電纜相連，將變溫液氮杜瓦樣品座放置于光路；
[0018]步驟3:調整光路，使激光光源發(fā)出的激光依次通過光學斬波器、光學起偏器、光彈性調制器和光學凸透鏡，并穿過變溫液氮杜瓦樣品座的透明玻璃窗口，最后打到樣品四個歐姆電極中間區(qū)域；
[0019]步驟4:從樣品提取出來的頻率為50KHz的圓偏振自旋相關反常霍爾光電流信號被信號采集系統(tǒng)采集并處理；
[0020]步驟5:將直流電壓源撤掉，并將微安電流源加在兩圓形歐姆電極上，并測量兩圓形歐姆電極上頻率為220Hz且與偏振無關的普通光電流，該普通光電流被信號采集系統(tǒng)采集并處理,完成測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為了進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合具體實例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:
[0022]圖1是一套測量光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)的結構示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的測量流程圖。
[0024]圖3是測量系統(tǒng)所測得的光電流圖，其中(a)是利用測量系統(tǒng)所測得的非摻雜InGaAs / AlGaAs多量子阱樣品在不同溫度下，圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏麟S外加直流電場的變化；(b)是利用測量系統(tǒng)所測得的非摻雜InGaAs / AlGaAs多量子阱樣品在不同溫度下，與偏振無關的普通光電流隨外加直流電場的變化。
【具體實施方式】
[0025]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，包括:
[0026]一激光光源10，該激光光源10提供光學系統(tǒng)的信號源，所述的激光光源10的為常見固態(tài)或氣態(tài)激光器，本實例中所采用的激光器10是一經單色儀分光的超連續(xù)白光激光器，激光波長為955nm，光功率為ImW ；[0027]—信號采集系統(tǒng)80，該信號采集系統(tǒng)80用于對采集的光電流信號進行處理，所述信號采集系統(tǒng)80包括:
[0028]一電壓前置放大器81，該電壓前置放大器81前端需要并聯(lián)一輸入電阻，從待測樣品61激發(fā)產生的光電流信號經過輸入電阻后變成電壓信號，電壓前置放大器81的作用是將該電壓信號進行放大，本實例中待測樣品61是一非摻雜InGaAs / AlGaAs多量子講樣品，所述電壓前置放大器81前端所并聯(lián)輸入電阻阻止為15ΚΩ ；
[0029]第一、第二鎖相放大器82、83，該第一、第二鎖相放大器82、83的輸入端均與電壓前置放大器81的輸出端連接，該第二鎖相放大器83的參考頻率輸入端與光學斬波器20的參考頻率輸出端相連，該第一鎖相放大器82的參考頻率輸入端與光彈性調制器40的50KHz頻率輸出端相連；
[0030]一數據采集卡84，該數據采集卡84接收第一、第二鎖相放大器82、83的輸出信號;
[0031]一計算機85，該計算機85對數據采集卡84采集到的電學信號進行運算處理；
[0032]一光學斬波器20，該光學斬波器20置于激光光源10的光路上，并與信號采集系統(tǒng)80相連，該光學斬波器20的調制頻率穩(wěn)定在220Hz ；
[0033]—光學起偏器30,該光學起偏器30位于該光學斬波器20的光路上,用于控制激光的偏振方向；
[0034]一光彈性調制器40，該光彈性調制器40置于光學起偏器30的光路上，并與信號采集系統(tǒng)80相連，該光彈性調制器40與變溫液氮杜瓦樣品座60的間距大于20cm ；
[0035]其中該光學起偏器30的透振方向與光彈性調制器40的主軸方向的夾角為45° ;
[0036]一光學凸透鏡50，該光學凸透鏡50位于光彈性調制器40的光路上，用于調整激光光斑打到樣品表面的大??；
[0037]—變溫液氮杜瓦樣品座60,該變溫液氮杜瓦樣品座60位于光學凸透鏡50的光路上，并與信號采集系統(tǒng)80相連，該變溫液氮杜瓦樣品座60中還包括一溫度控制儀和一紫銅冷指，待測樣品61固定在紫銅冷指頂端；
[0038]一直流電壓源70，該直流電壓源70用于給變溫液氮杜瓦樣品座60中的待測樣品施加外電壓；
[0039]一直流電流源90，該直流電流源90在測量普通光電流時提供直流電流。
[0040]請再參閱圖1及圖2所示，本發(fā)明提供一種光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)的測量方法，該方法是采用權利要求1所述的變溫測量系統(tǒng)，包括如下步驟:
[0041]步驟1:在待測樣品61表面做兩對歐姆電極，其中一對條形歐姆電極用于加偏壓，另一對圓形歐姆電極用于提取圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏鳎鰵W姆電極是用“光刻—蒸鍛一退火”的方法制備；
[0042]步驟2:將做好歐姆電極的待測樣品61固定于變溫液氮杜瓦樣品座60的紫銅冷指頂端，并將待測樣品61四個歐姆電極分別與變溫液氮杜瓦樣品座60中的同軸電纜相連，這四根同軸電纜通過SMA轉接頭與外電路相連，并將變溫液氮杜瓦樣品座60放置于光路中，所述變溫液氮杜瓦樣品座60的溫度由與之相連的溫度控制儀控制，所述紫銅冷指外部包有一同軸的鋁筒，用于保護紫銅冷指所處的真空環(huán)境，該鋁筒的底部有一石英玻璃光學窗口，激光從該窗口入射到樣品表面；[0043]步驟3:調整光路，使激光光源10發(fā)出的激光依次通過光學斬波器20、光學起偏器30、光彈性調制器40和光學凸透鏡50，并穿過變溫液氮杜瓦樣品座60的透明玻璃窗口，最后打到樣品四個歐姆電極中間區(qū)域，所述的激光光源10的為常見固態(tài)或氣態(tài)激光器，本實例中所采用的激光器10是一經單色儀分光的超連續(xù)白光激光器，激光波長為955nm，光功率為lmW，所述光學斬波器20的調制頻率穩(wěn)定在220Hz，該光學起偏器30的透振方向與光彈性調制器40的主軸方向的夾角為45°，所述光彈性調制器40與變溫液氮杜瓦樣品座60的間距大于20cm，所述變溫液氮杜瓦樣品座60中還包括一溫度控制儀和一紫銅冷指，待測樣品61固定在紫銅冷指頂端，從起偏器30出來的線偏振光在經過光彈性調制器40時，根據光彈性調制器的工作原理，將變成50KHz周期性調制的左旋和右旋交替變化的圓偏振光，該圓偏振光將在樣品61中激發(fā)出自旋極化的載流子，在縱向電場驅動下，兩圓形歐姆電極上將產生圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏鳎?br> [0044]步驟4:將直流電壓源70的輸出端與待測樣品條形歐姆電極相對應的SMA轉接頭相連，用于給待測樣品61加偏壓，將信號采集系統(tǒng)80的輸入端與待測樣品61圓形歐姆電極相對應的SMA轉接頭相連，通過第一鎖相放大器82從待測樣品61提取出頻率為50KHz的圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏?；
[0045]步驟5:將直流電壓源70撤掉，考慮到樣品電阻比較大，我們選擇用微安級直流電流源90加載到兩圓形歐姆電極上，同時通過第二鎖相放大器83測量兩圓形歐姆電極上頻率為220Hz的與偏振無關的普通光電流，這里用微安級直流電流源90而不繼續(xù)采用直流電壓源70，是因為直流電壓源70的內阻幾乎為零，光電流將幾乎全部從直流電壓源70漏掉而無法被信號采集系統(tǒng)80采集到，而微安級直流電流源90的有效內阻無窮大，光電流將幾乎全部流入信號采集系統(tǒng)80，完成測量。
[0046]圖3給出了測量系統(tǒng)所測得的光電流圖，其中(a)是利用測量系統(tǒng)所測得的非摻雜InGaAs / AlGaAs多量子阱樣品在不同溫度下，圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏麟S外加直流電場的變化。(b)是利用測量系統(tǒng)所測得的非摻雜InGaAs / AlGaAs多量子阱樣品在不同溫度下，與偏振無關的普通光電流隨外加直流電場的變化。其中直流電場是由外加直流偏壓除以電極間距得到的。從圖3(a)可以看出，反?；魻柟怆娏髟?00K和300K時隨電場變化是線性的，隨溫度降低線性越來越差，甚至在80K還出現(xiàn)了飽和。這種飽和是電場和溫度對電子自旋弛豫時間共同作用的結果。我們把圖3(a)線性部分的斜率定義為反常霍爾光電導，用它表征被測樣品反常霍爾效應的強弱。從圖3(a)可以看出，溫度越低反?；魻栃綇?。而測量不同溫度下與偏振無關的普通光電流(圖3(b))的目的一方面是測量樣品的普通光電特性，另一方面則是與反?；魻柟怆娏髯鲗Ρ龋绻闷胀ü怆娏鲗Ψ闯；魻柟怆娏鬟M行歸一化，就可以消除光生載流子濃度的不同對反?；魻柟怆娏鞯挠绊?。用此系統(tǒng)和方法我們在非摻雜InGaAs / AlGaAs多量子阱樣品中觀察到了明顯的光致反常霍爾效應。
[0047]以上所述的具體實例，對本發(fā)明的裝置及方法進一步進行了詳細說明，所應理解的是，本發(fā)明并不局限于所述的具體實例，本專業(yè)技術人員可以對其形式和細節(jié)進行各種改變。例如調換部分光學元件的位置或增減部分元件，但本發(fā)明的實質并未改變?？傊诒景l(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種光致反常霍爾效應的變溫測量系統(tǒng)，包括: 一激光光源，該激光光源提供光學系統(tǒng)的信號源； 一信號采集系統(tǒng)，該信號采集系統(tǒng)用于對采集的信號進行處理，得到圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏?； 一光學斬波器，該光學斬波器置于激光光源的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連； 一光學起偏器，該光學起偏器位于該光學斬波器的光路上，用于控制激光的偏振方向； 一光彈性調制器，該光彈性調制器置于光學起偏器的光路上，并與信號采集系統(tǒng)相連； 一光學凸透鏡，該光學凸透鏡位于光彈性調制器的光路上，用于調整激光光斑打到樣品表面的大?。? 一變溫液氮杜瓦樣品座，該變溫液氮杜瓦樣品座位于光學凸透鏡的光路上，并與信號米集系統(tǒng)相連； 一直流電壓源，該直流電壓源用于給變溫液氮杜瓦樣品座中的待測樣品施加外電壓； 一直流電流源，該直流電流源在測量普通光電流時提供直流電流。
2.根據權利要求1所述的光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，其中所述的激光光源的為固態(tài)或氣態(tài)激光器。
3.根據權利要求1所述的光致 反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，其中信號采集系統(tǒng)包括: 一電壓前置放大器，該電壓前置放大器前端需要并聯(lián)一輸入電阻，從樣品激發(fā)產生的電流信號經過輸入電阻后變成電壓信號； 第一、第二鎖相放大器，該第一、第二鎖相放大器的輸入端均與電壓前置放大器的輸出端連接，該第二鎖相放大器的參考頻率輸入端與光學斬波器的參考頻率輸出端相連，該第一鎖相放大器的參考頻率輸入端與光彈性調制器的50KHz頻率輸出端相連； 一數據采集卡，該數據采集卡接收第一、第二鎖相放大器的輸出信號； 一計算機，該計算機對數據采集卡采集到的電學信號進行運算處理。
4.根據權利要求1所述的光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，其中光學斬波器的調制頻率穩(wěn)定在220Hz，該光學起偏器的透振方向與光彈性調制器的主軸方向的夾角為45°。
5.根據權利要求1所述的光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)，其中光彈性調制器與變溫液氮杜瓦樣品座的間距大于20cm，該變溫液氮杜瓦樣品座中還包括一溫度控制儀和一紫銅冷指，待測樣品固定在紫銅冷指頂端。
6.一種光致反常霍爾效應的變溫測量系統(tǒng)的測量方法，該方法是采用權利要求1所述的變溫測量系統(tǒng)，包括如下步驟: 步驟1:在待測樣品61表面做兩對歐姆電極，其中一對條形歐姆電極用于加偏壓，另一對圓形歐姆電極用于提取圓偏振自旋相關反?；魻柟怆娏?； 步驟2:將做好歐姆電極的待測樣品固定于變溫液氮杜瓦樣品座的紫銅冷指頂端，并將待測樣品四個歐姆電極分別與變溫液氮杜瓦樣品座中的同軸電纜相連，將變溫液氮杜瓦樣品座放置于光路； 步驟3:調整光路，使激光光源發(fā)出的激光依次通過光學斬波器、光學起偏器、光彈性調制器和光學凸透鏡，并穿過變溫液氮杜瓦樣品座的透明玻璃窗口，最后打到樣品四個歐姆電極中間區(qū)域； 步驟4:從樣品提取出來的頻率為50KHz的圓偏振自旋相關反常霍爾光電流信號被信號采集系統(tǒng)采集并處理； 步驟5:將直流電壓源撤掉，并將微安電流源加在兩圓形歐姆電極上，并測量兩圓形歐姆電極上頻率為220Hz且與偏振無關的普通光電流，該普通光電流被信號采集系統(tǒng)采集并處理，完成測量。
7.根據權利要求6所述的光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)的測量方法，其中所述的激光光源的為固態(tài)或氣態(tài)激光器。
8.根據權利要求6所述的光致反常霍爾效應的變溫測量系統(tǒng)的測量方法，其中光學斬波器的調制頻率穩(wěn)定在220Hz，該光學起偏器的透振方向與光彈性調制器的主軸方向的夾角為45°。
9.根據權利要求6所述的光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)的測量方法，其中光彈性調制器與變溫液氮杜瓦樣品座的間距大于20cm。
10.根據權利要求6所述的光致反?；魻栃淖儨販y量系統(tǒng)的測量方法，其中該變溫液氮杜瓦樣品座中還包括一 溫度控制儀和一紫銅冷指，待測樣品固定在紫銅冷指頂端。
【文檔編號】G01R31/265GK103809101SQ201410050256
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權日:2014年2月13日
【發(fā)明者】朱來攀, 陳涌海, 劉雨, 俞金玲, 蔣崇云 申請人:中國科學院半導體研究所