Ⅲ族氮化物半导体及其异质结构的自旋光电流效应研究

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半导体自旋电子学旨在结合已有的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调控的重要手段和自旋弛豫的重要影响机制,是自旋电子学领域的研究热点。自旋光电流效应是研究半导体材料及其低维结构中自旋轨道耦合的有力手段。本文利用自旋光电流实验研究了室温下InN薄膜的逆自旋霍尔效应(RSHE);研究了AlxGa1-xN/GaN异质结构的光致反常霍尔效应(AHE)和RSHE。主要研究结果如下:  1.研究了InN薄膜中体反演非对称和基于表面电场的结构反演非对称导致的RSHE。通过测量RSHE电流随着光斑位置的变化曲线,观测到InN薄膜表面电子积累层对InN薄膜RSHE的贡献,确认InN薄膜中RSHE电流是其表面电子积累层和体层RSHE电流的叠加。  2.研究了极性对InN薄膜RSHE的影响。通过比较In极性和N极性InN薄膜中RSHE电流随着光斑位置的变化曲线,发现在In极性的InN中,总RSHE电流是表面电子积累层RSHE电流和体层RSHE电流之差;而在N极性InN中,总RSHE电流是表面电子积累层RSHE电流和体层RSHE电流之和。确认InN薄膜表面电子积累层的有效自旋轨道耦合系数与InN体层的有效自旋轨道耦合系数的相对符号对于In极性InN是相反的,而对于N极性InN是相同的。  3.研究了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构的光致AHE。在施加纵向电场条件下,利用圆偏振光垂直照射在Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构上两个欧姆电极的正中央,观测到了由光致AHE引起的自旋光电流,确认光致AHE电流随着纵向电场增加而线性增加,得出Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构的光致反常霍尔电导率为σAH=2.59×10-9Ω-1。  4.测量了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中载流子的自旋扩散系数。在不加纵向电场的情况下,通过移动光斑的方法,测量了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构RSHE电流随着光斑位置(沿着两个电极的垂直平分线)的变化曲线。在存在纵向电场条件下,得到了Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中总自旋光电流随着光斑位置的变化曲线,由此提取出光致AHE电流随光斑位置的变化规律,同时得出总自旋光电流的两个极值位置,确定Al0.25Ga0.75N/GaN异质结构中2DEG的自旋扩散系数为93.6 cm2/s。
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