调控P型GaAs自旋轨道耦合的方法及装置

调控p型gaas自旋轨道耦合的方法及装置
技术领域
本公开涉及自旋调控技术领域，具体涉及一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法。


背景技术：

利用自旋轨道耦合操纵半导体中的自旋被认为是自旋电子器件的基础。对gaas材料自旋轨道耦合的主动调控以及自旋轨道耦合的探测，对于探索可控的半导体自旋电子器件具有十分重要的意义。同时，gaas材料由于其为直接带隙材料，并且具有较长的自旋弛豫时间，因此gaas材料在制备实用的自旋器件方面极具潜力。根据之前的文献报道，调控半导体中自旋轨道耦合的方法包括改变样品温度，施加外电场，以及调控半导体量子阱结构。整体来说，调控半导体自旋轨道耦合的方法是通过改变样品结构或施加外场，引入dresselhaus自旋轨道耦合项或者rashba自旋轨道耦合项；其中dresselhaus项来源于体反演不对称，rashba项来源于结构反演不对称。dresselhaus自旋轨道耦合项与应变、样品对称性等相关，rashba自旋轨道耦合与电场、应变、量子阱掺杂等相关，应变既能引起dresselhaus项的自旋轨道耦合，也能引起rashba项的自旋轨道耦合。有文献报道过利用应变对自旋轨道耦合进行调控，然而，在之前研究中，未涉及非均匀应变对自旋轨道耦合的影响。同时，采用电学方法难以在室温下进行半导体自旋轨道耦合的探测，尤其很难在样品上施加应变的同时维持样品的低温条件。


技术实现要素：

(一)要解决的技术问题针对上述问题，本公开提供了一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，用于至少部分解决梯度应变对p型gaas材料自旋轨道耦合的调制等技术问题。(二)技术方案本公开一方面提供了一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，包括在衬底上沿[001]晶向生长p型gaas材料；沿[110]晶向切割得到条形p型gaas样品；将条形p型gaas样品的两端固定，在其中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变，以调控p型gaas的自旋轨道耦合。进一步地，在衬底上沿[001]晶向生长p型gaas材料包括：在(001)面半绝缘gaas衬底上生长gaas缓冲层；在gaas缓冲层上沿[001]晶向生长铍掺杂的p型gaas。进一步地，铍掺杂的p型gaas的掺杂浓度为10
17
量级；p型gaas的厚度不小于2μm。进一步地，生长gaas缓冲层、生长铍掺杂p型gaas的方法为分子束外延生长。进一步地，条形p型gaas样品的长边和短边分别平行于[110]晶向和[110]晶向。进一步地，该应力施加点处应变大小为10-4
量级。进一步地，与p型gaas的自旋轨道耦合相关的哈密顿量包括：
h3＝d[σaka(ε
cc-ε
bb
)+σbkb(ε
aa-εc
c)+σckc(ε
bb-ε
aa
)]he＝αe[σa(eck
b-ebkc)+σb(eak
c-ecka)+σc(ebk
a-eakb)]其中，a、b、c方向分别平行于[100]、[010]、[001]晶向，aa、bb、cc分别对应[100]、[010]、[001]晶向，ab、bc、ac分别对应[110]、[011]、[101]晶向，σa、σb、σc是自旋泡利矩阵，ka、kb、kc是波矢k在[100]、[010]、[001]晶向上的分量；λ为体材料反演不对称相关的dresselhaus自旋轨道耦合系数，c3应变相关的rashba自旋轨道耦合系数，d为应变相关的dresselhaus自旋轨道耦合系数，αe为电场相关的rashba自旋轨道耦合系数；ε
ij
(i，j＝a、b、c)是应变张量的分量，ei(i＝a、b、c)是电场在各个方向上的分量；h1是dresselhaus体反演不对称项，h2是应力相关的rashba自旋轨道耦合项，h3是应力相关dresselhaus自旋轨道耦合项，he是电场导致的自旋轨道耦合项；总哈密顿量表示为m0为电子质量，k为波矢，h为约化普朗克常数。本公开另一方面提供了一种用于根据前述调控p型gaas自旋轨道耦合的方法中施加应变的装置，包括：两个条形钢板，分别用于固定条形p型gaas样品长边的两端；三棱柱，其中一条棱边与条形p型gaas样品沿短边方向上接触；旋转螺杆，用于推动三棱柱对条形p型gaas样品中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变。本公开还有一方面提供了一种根据前述调控p型gaas自旋轨道耦合的方法得到的施加梯度应变的条形p型gaas样品进行测试表征的方法，包括：将测量电极分别设置于条形p型gaas样品两长边的中点处；利用可调飞秒钛蓝宝石激光器产生激光；利用格兰泰勒棱镜将激光转变为与水平面成45
°
的线偏振光；利用光弹性调制器将线偏振光周期性地调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；利用电流前置放大器将测量电极接出的光电流信号进行放大；利用锁相采集与光弹性调制器频率相同的反常圆偏振光电流信号，根据该反常圆偏振光电流信号对施加了梯度应变的p型gaas的自旋轨道耦合进行测试表征。进一步地，还包括：利用电动平移台带动条形p型gaas样品移动，以采集光斑位于不同位置时的光电流信号。(三)有益效果本公开的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法及装置，通过制备沿[001]晶向生长、沿[110]晶向切割的条形p型gaas样品，并对该条形p型gaas样品上施加梯度应变，首次通过非均匀应变实现了对p型gaas自旋轨道耦合的调控，且该方法简单易行、成本低廉且调控效果明显。同时采用反常圆偏振光电流进行自旋轨道耦合的表征，可以在室温下简便地探测半导体自旋。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例中调控p型gaas自旋轨道耦合的方法的流程图；图2示意性示出了根据本公开实施例中p型gaas样品的结构示意图；图3示意性示出了根据本公开实施例中用于对p型gaas样品施加应变的装置示意
图；图4示意性示出了根据本公开实施例中采用反常圆偏振光电流对施加应变的p型gaas样品进行测试的系统结构示意图；图5示意性示出了根据本公开实施例中梯度应变调控p型gaas自旋轨道耦合变化的反常圆偏振光电流测试结果示意图；图6示意性示出了根据本公开实施例中梯度应变调控p型gaas自旋轨道耦合引起的反常圆偏振光电流随光斑位置的变化的测试结果示意图；附图标记说明：1.衬底，2.缓冲层，3.p型gaas材料，4.测量电极，5.测量电极，6.[110]晶向，7.旋转螺杆，8.三棱柱，9.应变中心，10.样品，11.条形钢板，12.条形钢板，13.激光器，14.格兰泰勒棱镜，15.光弹性调制器，16.固定样品后的应变装置，17.两电极连线的垂直平分线，18.电动平移台，19.前置放大器，20.锁相，21.电脑。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。本公开的实施例提供了一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，如图1所示，包括：s1，在衬底上沿[001]晶向生长p型gaas材料；s2，沿[110]晶向切割得到条形p型gaas样品；s3，将条形p型gaas样品的两端固定，在其中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变，以调控p型gaas的自旋轨道耦合。沿[110]晶向切割并选择在[110]晶向上产生梯度应变有以下原因：1、[110]晶向为gaas材料的解理边，若沿其他晶向切割，在切割以及施加应变的过程中容易造成样品断裂。2、从p型gaas的哈密顿量可以看出，只有切向应变，即[110]晶向应变ε
ab
，[101]晶向应变ε
ac
，[011]晶向应变ε
bc
才能产生此应变调制所需要的rashba自旋轨道耦合项。固定条形p型gaas样品的两端使两端形变为零；在样品中部某一点施加应力，使其产生形变；条形p型gaas样品在应力施加点处所具有的应变最大，在样品两端应变为零，于是条形p型gaas样品具有沿[110]晶向梯度增加或减小的应变。由于非均匀应变在样品制造过程中是不可避免的，因此本公开提出的梯度应变调控自旋轨道耦合的研究对于半导体自旋器件的制造至关重要。本公开提出的方法通过在沿[001]晶向生长、[110]晶向切割的条形p型gaas样品上施加梯度应变，以调控p型gaas的自旋轨道耦合；该方法简单易行、成本低廉，且调控效果明显、调控范围较大。在上述实施例的基础上，在衬底上沿[001]晶向生长p型gaas材料包括：在(001)面半绝缘gaas衬底上生长gaas缓冲层；在gaas缓冲层上沿[001]晶向生长铍掺杂的p型gaas。图2为本实施例中p型gaas样品的结构示意图，所采用的衬底为(001)面半绝缘
gaas衬底1；之后在衬底1上外延的gaas作为缓冲层2，缓冲层2的厚度大于200nm，接着生长铍掺杂p型gaas材料3。缓冲层2为分子束外延生长的高质量单晶gaas层，以减少衬底表面缺陷对后续生长的影响，提高后续生长的p型gaas层的质量。进一步地，为了后续对施加梯度应变的条形p型gaas样品进行测试表征，将测量电极4、5分别设置于条形p型gaas样品两长边的中点处，用于探测自旋轨道耦合引起的反常圆偏振光电流的变化。测量电极4、5为点状铟电极，并在420摄氏度氮气氛围下退火以形成良好的欧姆接触；条形p型gaas样品的长边平行于[110]晶向6。在上述实施例的基础上，铍掺杂的p型gaas的掺杂浓度为10
17
量级；p型gaas的厚度不小于2μm。p型gaas的掺杂浓度若过低，会导致样品的电阻过大或者过小，难以进行测试确认调制情况；厚度不小于2μm是由于本公开所用调制方法适用于体材料，过薄的样品一方面可能引起材料性质的改变，另一方面可能导致在采用反常圆偏振光致电流法测试时引入gaas衬底的信号以至于难以确认调制效果。在上述实施例的基础上，生长gaas缓冲层、生长铍掺杂p型gaas的方法为分子束外延生长。条形p型gaas样品采用分子束外延生长是由于分子束外延可以制备均匀、厚度可控、晶体质量良好的材料。在上述实施例的基础上，条形p型gaas样品的长边和短边分别平行于[110]晶向和[110]晶向。通过沿[110]晶向切割得到条形p型gaas样品，该样品的长边和短边分别平行于[110]晶向和[110]晶向，通过沿长边中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，可分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变，沿[110]晶向上的梯度应变具有在应变施加点处应变最大，向两端减小的特点。在上述实施例的基础上，该应力施加点处应变大小为10-4
量级。在条形p型gaas样品上施加应力的点即为应变中心，该应变中心处应变大小为10-4
量级；样品的形变在应变中心9(如图2所示)最大，样品形变在两端为零，可认为样品应变由应变中心向两端线性减小，即样品受梯度应变作用，且在应变中心两侧的应变梯度相反。在上述实施例的基础上，与p型gaas的自旋轨道耦合相关的哈密顿量包括：在上述实施例的基础上，与p型gaas的自旋轨道耦合相关的哈密顿量包括：h3＝d[σaka(ε
cc-ε
bb
)+σbkb(ε
aa-ε
cc
)+σckc(ε
bb-ε
aa
)]he＝αe[σa(eck
b-ebkc)+σb(eak
c-ecka)+σc(ebk
a-eakb)]其中，a、b、c方向分别平行于[100]、[010]、[001]晶向，aa、bb、cc分别对应[100]、[010]、[001]晶向，ab、bc、ac分别对应[110]、[011]、[101]晶向，σa、σb、σc是自旋泡利矩阵，ka、kb、kc是波矢量k在[100]、[010]、
[0001]
晶向上的分量；λ为体材料反演不对称相关的dresselhaus自旋轨道耦合系数，c3应变相关的rashba自旋轨道耦合系数，d为应变相关的dresselhaus自旋轨道耦合系数，αe为电场相关的rashba自旋轨道耦合系数；ε
ij
(i，j＝a、b、c)是应变张量的分量，ei(i＝a、b、
c)是电场在各个方向上的分量；h1是dresselhaus体反演不对称项，h2是应力相关的rashba自旋轨道耦合项，h3是应力相关dresselhaus自旋轨道耦合项，hf是电场导致的自旋轨道耦合项；总哈密顿量表示为m0为电子质量，k为波矢，h为约化普朗克常数。在gaas体系中，应变在[100]、[010]、[001]、[110]、[011]、[101]这六晶向上的分量是相互独立的。在本实施例中，采用图2所示装置对沿[110]晶向切割的样品施加应变时，应变中心处无应变梯度，此时样品具有[100]、[010]、[001]、[110]晶向的应力分量。本实施例中，应变中心以外的位置，同时也受梯度应变的作用。平行于[110]晶向的梯度应变可以等效于沿[110]晶向的均匀电场。根据晶体的对称性和逆压电效应，梯度应变引起的电场可以等效为[101]和[011]晶向上的应变ε
ac
和ε
bc
，且由p型gaas的对称性可得有ε
ac
＝ε
bc
。因此，在总哈密顿量中引入了梯度应变调控的自旋轨道耦合项(c3/2)[-σaε
ac
kc+σbε
bc
kc+σc(ε
acka-ε
bc
kb)]。本公开的另一实施例提供了一种用于根据前述调控p型gaas自旋轨道耦合的方法中施加应变的装置，如图3所示，包括：两个条形钢板11、12，分别用于固定条形p型gaas样品长边的两端；三棱柱8，其中一条棱边与条形p型gaas样品沿短边方向上接触；旋转螺杆7，用于推动三棱柱8对条形p型gaas样品中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变。图3是本公开用于施加梯度应变以调控自旋轨道耦合的装置。图2所示的样品被固定于图3所示的应变施加装置上。图3中7为带有刻度的旋转螺杆；8为三棱柱，其边缘正对样品，推动旋转螺杆7可移动三棱柱8，对样品施加应变；9为样品与三棱柱的接触点，称为应变中心，此处的应变可以由螺杆7上的刻度读出。在本实施例中，令样品中心为坐标原点，两电极连线为y轴，x轴平行于样品长边，z轴垂直样品。样品可在图3所示的装置中沿x轴方向移动，以改变应力施加点位置。本应变施加装置带有千分尺，旋转螺杆7可通过三棱柱8对样品施加应变，样品沿z方向上的形变可直接从千分尺上读出。三棱柱8与样品的接触点为应力施加处，称为应变中心9。条形钢板11、12用于固定样品两端。样品的形变在应变中心9最大，样品形变在两端为零，可认为样品应变由应变中心向两端线性减小，即样品受梯度应变作用，且在应变中心两侧的应变梯度相反。在本实施例中，旋转螺杆7推动三棱柱8移动的距离为0.1mm，当样品应变中心9位于x＝m时，样品横坐标x处z方向上的形变为j0(x)＝sgn(-m)0.01(x-m)+0.1。样品在x点处的应变可表示为ε(x)＝3hj0(x)/2a2，其中，h为样品厚度，2a为应变作用的有效长度。本实施例中，2a为20mm，即条形钢板11与12的间距；h为包含衬底厚度的样品总厚度，为500μm。计算可得应变中心9处的应变为ε0＝7.5
×
10-4
。则样品应变中心位于m时，样品不同位置的应变可表示为ε(x)＝(7.5
×
10-4
)(sgn(-m)0.1(x-m)+1)。在本实施例中，我们研究了应变中心m横坐标为-1mm、0mm、1mm时的自旋轨道耦合。当应变中心9位于坐标原点时，即应变中心9位于样品电极处，样品在电极位置上不存在梯度应变。当应变中心9位于x＝-1mm以及x＝1mm时，即应变中心9位于电极左侧1mm处和右侧1mm处时，样品在电极附近区域受梯度应变作用，此时样品电极能收集到由梯度应变引起的自旋轨道耦合信号。并且应变中心9位于电极左侧1mm处和右侧1mm处时，二者电极附近区域应变梯度的方向相反。本公开还有一实施例提供了一种根据前述调控p型gaas自旋轨道耦合的方法得到
的施加梯度应变的条形p型gaas样品进行测试表征的方法，如图4所示，包括：将测量电极4、5分别设置于条形p型gaas样品两长边的中点处；利用可调飞秒钛蓝宝石激光器13产生激光；利用格兰泰勒棱镜14将激光转变为与水平面成45
°
的线偏振光；利用光弹性调制器15将线偏振光周期性地调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；利用电流前置放大器19将测量电极4、5接出的光电流信号进行放大；利用锁相20采集与光弹性调制器15频率相同的反常圆偏振光电流信号，根据该反常圆偏振光电流信号对施加了梯度应变的p型gaas的自旋轨道耦合进行测试表征。采用电学方法难以在室温下进行半导体自旋轨道耦合的探测，而采用圆偏振光则可以在室温下简便地探测半导体自旋，因此本公开采用反常圆偏振光电流法探测自旋轨道耦合。反常圆偏振光电流为激光垂直入射时，左旋与右旋圆偏振光的光电流差值。通过对比有无梯度应变以及不同方向应变梯度的反常圆偏振光电流，验证梯度应变对p型gaas材料自旋轨道耦合的调制。采用反常圆偏振光电流对样品进行测试表征时，样品上的测量电极为一对点状铟电极，两个点电极分别位于样品长边的中点；电极需退火以形成良好的欧姆接触。在上述实施例的基础上，还包括：利用电动平移台18带动条形p型gaas样品移动，以采集光斑位于不同位置时的光电流信号。电动平移台18为步进电机驱动的电动平移台，图3中的应变施加装置固定在电动平移台18上，以便采集光斑位于两电极连线的垂直平分线17上不同位置时的光电流信号。本公开提供的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，简单易行、成本低廉，有利于日后推广应用；且调控效果明显。下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述调控p型gaas自旋轨道耦合的方法及装置进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。图2是本公开一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法的一个实施例中的样品示意图。其中，1为(001)面半绝缘gaas衬底，2为分子束外延生长的300nm的gaas缓冲层，3为铍掺杂p型gaas，掺杂浓度为3.1
×
10
17
，厚度为2μm。切割后条形p型gaas样品长为25mm，宽为4mm。4、5为测量电极，二者均为位于样品长边中点的点状铟电极，并在420摄氏度氮气氛围下退火形成良好的欧姆接触。箭头6指向[110]晶向，样品长边平行于[110]晶向。图3是本公开用于施加应变的装置。其中，推动旋转螺杆7可移动三棱柱8，对样品施加应变。9为样品与三棱柱8的接触点，称为应变中心，此处的应变可以由螺杆7上的刻度读出。10为样品，样品10可以在应变装置中水平移动，以改变应变中心与测量电极的相对位置。11、12为条形钢板用于固定样品，施加应变时，条形钢板11、12与样品的接触点处应变为零，条形钢板11与12间的间距为20mm。图4是本公开采用的反常圆偏振光电流测试系统的示意图。本实施例所用激光器为一频率为80mhz脉宽为140fs的锁模钛蓝宝石飞秒激光器13，此激光器产生直径为0.8mm的高斯光束，波长为930nm的激光。光弹性调制器15相位延迟被设置为四分之一波长。激光通过格兰泰勒棱镜14和光弹性调制器15后变成50khz周期性交替的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；16为固定样品后的应变装置，激光垂直照射在样品两电极连线的垂直平分线17上的某一点。如图3所示的应变装置固定在电动平移台18上，电动平移台18以0.1mm为步长移
动，收集光斑位于两电极连线的垂直平分线17上不同点时的反常圆偏振光电流信号。反常圆偏振光电流由电极4、5收集，经由前置放大器19放大后输入锁相20。锁相20的工作频率由光弹性调制器15输入，于是锁相20提取与圆偏振光相关的信号，即锁相提取出左旋圆偏振光电流与右旋圆偏振光电流的差值，并输入电脑21以便实时显示与记录。电动平移台18每移动一个步长，电脑记录一个左旋与右旋圆偏振光的光电流差值即反常圆偏振光电流。图5是本实施例中应变调控p型gaas自旋轨道耦合的反常圆偏振光电流测试结果。图5中三个小图从左到右分别表示，应力施加点位于x＝-1mm，x＝0mm，x＝1mm时测得的反常圆偏振光电流。图5中虚线表示的是未施加应变时，反常圆偏振光电流随光斑位置的变化；实线表示的是施加应变时，反常圆偏振光电流随光斑位置的变化。如图5所示，当应力施加点位于x＝0mm时应变不能有效调控测得的反常圆偏振光电流。当应力中心位于x＝-1mm和x＝1mm时，点电极4、5左右各1mm的范围内受梯度应变的作用，图5中可知，梯度应变能有效调制自旋轨道耦合，进而引起一个定向光电流叠加在原有的反常圆偏振电流上。本实施例中，梯度应变调控自旋轨道耦合导致反常圆偏振光电流变化的原理如下所示。本实施例中，由于p型gaas的对称性，应变的a方向分量与b方向分量相等。当激光垂直入射时，由哈密顿量可得，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在k空间中的光学跃迁矩阵元差为：本实施例中实空间中的光斑分布记为f(r)，其中r为实空间坐标，r也可写为(x，y，z)。根据逆自旋霍尔效应，由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的电流密度jk之差由下式给出：其中，分别为[100]、[010]、[001]方向上的单位向量。e是电荷。是k空间中载流子的速度，va、vb、vc是载流子速度在a、b、c方向上的分量，且载流子速度受电场影响；本实施例并未施加ab平面内的电场，但具有垂直于样品的表面电场ec，约为100kv/cm，因此vc包含表面电场ec引起的速度分量。sa、sb、sc是自旋在a、b、c方向上的自旋分量，可由总哈密顿量得出。τ
p
是动量弛豫时间。因此梯度应变在实空间中引起的电荷流j为：由此表达式可知，应变梯度沿[110]晶向时，应变梯度引入rashba自旋轨道耦合h2(c3有关的项)，进而产生沿方向(晶向)的定向电荷电流。所以，梯度应变在引起了沿晶向流动的反常圆偏振光电流。由于此应变梯度引起的反常圆偏振光电流也由点电极4、5收集，因而当光斑位于原点时点电极收集到的光电流最大，而当光斑逐渐远离点电极4、5时光电流逐渐减小。值得注意的是，当梯度应变位于点电极4、5的不同侧时，由于梯度应变的方向相反，梯度应变诱导的等效电场的符号会发生反转，导致ε
ac
改变符号。因此，当应变中心位于x＝-1mm和1mm时，应变梯度引起的反常圆偏振光电流随应变中心的变化而反号。图6是本实施例中，梯度应变调控p型gaas自旋轨道耦合测试结果。图6的数据由应
力作用下测得的反常圆偏振光电流减去无应力时的反常圆偏振光电流所得。其中圆点和方块分别表示当应变中心位于x＝-1mm时与x＝1mm时，梯度应变引起的反常圆偏振光电流随光斑位置的变化。从图6可知，梯度应变能有调控自旋轨道耦合。从上述实施例中可以看出，本公开提供了一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，本方法的实现比较方便、成本低、调控效果好。以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，包括：在衬底上沿[001]晶向生长p型gaas材料；沿[110]晶向切割得到条形p型gaas样品；将所述条形p型gaas样品的两端固定，在其中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变，以调控p型gaas的自旋轨道耦合。2.根据权利要求1所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述在衬底上沿[001]晶向生长p型gaas材料包括：在(001)面半绝缘gaas衬底上生长gaas缓冲层；在所述gaas缓冲层上沿[001]晶向生长铍掺杂的p型gaas。3.根据权利要求2所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述铍掺杂的p型gaas的掺杂浓度为10
17
量级；所述p型gaas的厚度不小于2μm。4.根据权利要求2所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述生长gaas缓冲层、生长铍掺杂p型gaas的方法为分子束外延生长。5.根据权利要求1所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述条形p型gaas样品的长边和短边分别平行于[110]晶向和gaas样品的长边和短边分别平行于[110]晶向和晶向。6.根据权利要求1所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，所述该应力施加点处应变大小为10-4
量级。7.根据权利要求1所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法，其特征在于，与所述p型gaas的自旋轨道耦合相关的哈密顿量包括：gaas的自旋轨道耦合相关的哈密顿量包括：h3＝d[σ
a
k
a
(ε
cc-ε
bb
)+σ
b
k
b
(ε
aa-ε
cc
)+σ
c
k
c
(ε
bb-ε
aa
)]h
e
＝α
e
[σ
a
(e
c
k
b-e
b
k
c
)+σ
b
(e
a
k
c-e
c
k
a
)+σ
c
(e
b
k
c-e
a
k
b
)]其中，a、b、c方向分别平行于[100]、[010]、[001]晶向，aa、bb、cc分别对应[100]、[010]、[001]晶向，ab、bc、ac分别对应[110]、[011]、[101]晶向，σ
a
、σ
b
、σ
c
是自旋泡利矩阵，k
a
、k
b
、k
c
是波矢k在[100]、[010]、[001]晶向上的分量；λ为体材料反演不对称相关的dresselhaus自旋轨道耦合系数，c3为应变相关的rashbas自旋轨道耦合系数，d为应变相关的dresselhaus自旋轨道耦合系数，α
e
为电场相关的rashba自旋轨道耦合系数，ε
ij
(i，j＝a、b、c)是应变张量的分量，e
i
(i＝a、b、c)是电场在各个方向上的分量；h1是dresselhaus体反演不对称项，h2是应力相关的rashba自旋轨道耦合项，h3是应力相关dresselhaus自旋轨道耦合项，h
e
是电场导致的自旋轨道耦合项；总哈密顿量表示为m0为电子质量，k为波矢，为约化普朗克常数。8.一种用于根据权利要求1～7中任意一项所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法中施加应变的装置，其特征在于，包括：两个条形钢板(11)、(12)，分别用于固定条形p型gaas样品长边的两端；三棱柱(8)，其中一条棱边与所述条形p型gaas样品沿短边方向上接触；
旋转螺杆(7)，用于推动所述三棱柱(8)对所述条形p型gaas样品中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变。9.一种根据权利要求1～7中任意一项所述的调控p型gaas自旋轨道耦合的方法得到的施加梯度应变的条形p型gaas样品进行测试表征的方法，其特征在于，包括：将测量电极(4)、(5)分别设置于条形p型gaas样品两长边的中点处；利用可调飞秒钛蓝宝石激光器(13)产生激光；利用格兰泰勒棱镜(14)将所述激光转变为与水平面成45
°
的线偏振光；利用光弹性调制器(15)将所述线偏振光周期性地调制为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；利用电流前置放大器(19)将所述测量电极(4)、(5)接出的光电流信号进行放大；利用锁相(20)采集与所述光弹性调制器(15)频率相同的反常圆偏振光电流信号，根据该反常圆偏振光电流信号对施加了梯度应变的p型gaas的自旋轨道耦合进行测试表征。10.根据权利要求9所述的进行测试表征的方法，其特征在于，还包括：利用电动平移台(18)带动所述条形p型gaas样品移动，以采集光斑位于不同位置时的光电流信号。

技术总结
本公开提供了一种调控P型GaAs自旋轨道耦合的方法，包括：在衬底上沿[001]晶向生长P型GaAs材料；沿[110]晶向切割得到条形P型GaAs样品；将条形P型GaAs样品的两端固定，在其中间任意一点施加沿[001]晶向的应力，使其在该应力施加点的两侧分别产生沿[110]晶向梯度增加和减小的应变，以调控P型GaAs的自旋轨道耦合。本公开的方法简单易行、成本低廉，且调控效果明显，调控范围较大。调控范围较大。调控范围较大。


技术研发人员：曾晓琳 陈涌海 吴静 朱申波
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2022.01.27
技术公布日：2023/8/9