[发明专利]一种半导体中电子自旋有效寿命的连续单光束测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子自旋有效寿命的光学测试方法。其特点是使用连续单束光，因而设备简单，廉价。属半导体参数光学测试技术领域，具有广阔的应用前景。

背景技术

近年来，半导体自旋电子学研究成为国际前沿热点。电子自旋有效寿命成为最基本、最必要的测试参数之一。目前发展的电子自旋有效寿命光学测试方法主要是基于飞秒或皮秒锁模脉冲激光的时间分辨泵浦-探测技术，如时间分辨圆二色饱和吸收光谱和法拉第光谱。另一方面，还发展了基于发光圆偏振度时间分辨测量的技术。然而，这种技术的设备就更昂贵了，不仅需要锁模脉冲激光，而且还需要昂贵的条纹照相机。这些昂贵、并且实验操作复杂的实验测试技术极大地限制了自旋电子学实验研究的广泛开展。相反，汉勒(Hanle)效应是一种简单的电子自旋有效寿命光学测试技术。它使用连续的圆偏振激光束激发半导体样品，探测发光圆偏振度随外加磁场强度的变化，则可以获得电子自旋的寿命。但这种测试技术只限于辐射复合较强或发光效率较高的半导体样品的电子自旋有效寿命测量，而不适合于不发光或发光弱的半导体的电子自旋有效寿命的测量。最近，国际上报道了电子自旋有效寿命的自旋噪声光谱测试技术。它也是使用单束连续光，但需要高速采样示波器。而目前的高速采样示波器的采样速率到几个GHz的，价格也很昂贵，并且所能测试的自旋有效寿命在1ns以上。此外，这种技术只能测试n型掺杂半导体样品。综上所述，发明一种实验设备廉价、操作简单、适用范围广泛的电子自旋有效寿命测试技术是非常必要的。本发明正是要实现这一目标，使用廉价的连续单束激光测试半导体中电子自旋的有效寿命，而对半导体没有任何限制，不管它是否发光、自旋有效寿命长短，均可测量。

发明内容

本发明发展了一种连续的单光束激光测试半导体中电子自旋有效寿命的方法，其实验测试原理如图1所示，实验装置简单，价格低廉。非偏振连续激光束1通过起偏器2后，变成线偏振光，其偏振方向与Y轴成θ角度，此角度是可调节的。此偏振光通过1/4波片3后，变成椭圆偏振光。3的快、慢轴分别沿X’、Y’方向，而X’-Y’坐标相对X-Y坐标旋转45度角。由3产生的椭圆偏振光激发样品4，则在样品中激发起电子自旋极化，因为椭圆偏振光包含不同强度的左、右旋圆偏振分量。根据半导体物理的光激发电子跃迁理论，左和右旋圆偏振光分别能够激发与光波矢同向和反向的电子自旋极化取向，所以，不同强度的左和右圆偏振光同时激发半导体样品，能够激发起电子自旋极化方向与光波矢同向或反向的电子自旋极化，而自旋极化的取向依赖椭圆偏振光的旋向，即左或右旋。样品中的电子自旋极化会导致法拉第效应和圆二色吸收效应。分别表现为透过样品的椭圆偏振光的主轴旋转一个角度(称为法拉第旋转角)和椭圆率发生变化。并且这些变化随样品4上沿Y轴方向施加的磁场强度B变化而变化。实验上通过使用高灵敏度的平衡光探测器10测量法拉第转角或圆二色吸收随B的变化关系，就能够基于相关的理论模型获得电子自旋的有效寿命。显然，本发明的测试方法中既不使用昂贵的脉冲激光，也不使用昂贵的高速探测器和数字采样示波器。因而，实验设备价格低廉，有助于这种测试技术的广泛应用。

假设椭圆偏振光激发半导体样品，而样品上没有外加磁场时，产生的稳定电子自旋极化为S₀，则在样品上施加Y向磁场强度B时，椭圆偏振光激发的沿光波矢(Z方向)方向的稳定电子自旋极化为：

Sz(B)=S01+(ωτ*)2---(1)]]>