[发明专利]半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统及其检测方法

权利要求书

1.半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：包括单色圆偏振光源(1)、半导体二维电子气样品(2)、压电陶瓷片(3)、高压交流信号源(4)、锁相放大器(5)和电阻(6)；所述单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)；所述压电陶瓷片(3)对半导体二维电子气样品(2)施加周期性变化的应力；所述高压交流信号源(4)向压电陶瓷片(3)提供驱动电压；所述电阻(6)与半导体二维电子气样品(2)串联成一个回路；所述锁相放大器(5)检测流经电阻(6)的电流。

2.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述单色圆偏振光源(1)由二极管泵浦的亚纳秒级固体脉冲激光器(8)的线偏振激光斜入射通过四分之一玻片或者电光调制器(9)后产生；所述固体脉冲激光器(8)的型号为HLX-I-F020-000。

3.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述半导体二维电子气样品(2)为半导体GaN二维电子气样品，包括在蓝宝石衬底上依次排列生长的GaN缓冲层、GaN本征层和Al₂₅Ga₇₅N势垒层，其中GaN缓冲层的厚度为1000nm，GaN本征层的厚度为2000nm，Al₂₅Ga₇₅N势垒层的厚度为25nm；所述半导体GaN二维电子气样品的电子气浓度大于10¹³cm^-2，电子迁移率大于1500cm²/Vs；所述半导体GaN二维电子气样品的表面欧姆电极的制备通过电子束蒸发技术蒸渡多层金属薄膜完成。

4.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述压电陶瓷片(3)为按d33方式极化的锆钛酸铅多晶陶瓷片，在厚度方向上施加交变电压，在陶瓷平面上产生应力调制。

5.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述高压交流信号源(4)为普通的自制电压信号源设备，其输出电压范围在0到2000V之间，电压频率的调节范围为10Hz至1kHz之间，并附带频率信号输出端口。

6.根据权利要求1所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统，其特征在于：所述锁相放大器(5)采用型号为Stanford SR830的通用锁相放大器，频率范围为1mHz到102.4kHz，相位精度为0.01°。

7.半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

①、通过用单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)的同时，利用压电陶瓷片(3)对半导体二维电子气样品(2)施加周期性变化的应力；高压交流信号源(4)向压电陶瓷片(3)提供驱动电压，并且同时向锁相放大器(5)提供参考频率信号；

②、利用锁相技术及锁相放大器(5)测量得到的流经电阻(6)的电流，即圆偏振总光电流；

③、通过CPGE电流唯象理论与分析方法，从圆偏振总光电流中提取出CPGE电流的强度，并判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。

8.根据权利要求7所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤①具体为：通过单色圆偏振光源(1)斜照射半导体二维电子气样品(2)的上表面，同时开启并设置高压交流信号源(4)的输出电压强度为500V、输出电压频率为200Hz，高压交流信号源(4)一方面通过驱动压电陶瓷片(3)来对半导体二维电子气样品(2)施加周期性应力作用，另一方面向锁相放大器(5)提供参考频率信号。

9.根据权利要求7所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤③中提取出CPGE电流的强度的具体方法为：CPGE电流唯象理论与数学拟合方法，从圆偏振光电流随相位角变化的曲线，即曲线中提取得到CPGE电流的强度、周期等信息，该CPGE电流就是圆偏振自旋光电流，其中相位角为偏振面与1/4波片光轴间的夹角。

10.根据权利要求7所述的半导体二维电子气圆偏振自旋光电流的检测系统的检测方法，其特征在于：所述步骤③中判定半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理的具体方法为：首先，在提取出CPGE电流的强度的基础上，以半导体二维电子气样品(2)的表面法线方向为轴旋转半导体二维电子气样品(2)，测量半导体二维电子气样品(2)中圆偏振光电流在不同方位角β时的曲线，再利用前述方法确定CPGE电流的强度I_C，得到I_C随方位角β的变化曲线，即I_C-β曲线，从而确定CPGE电流各向取向的属性，其中方位角β为ê_||与电极连线间的夹角；然后，施加压电调制作用，采取共面应力压电调制模式，以压电陶瓷片(3)的驱动信号作为锁相放大器(5)的主要参考信号，分别按前述步骤测量圆偏振光电流在不同方位角β时的曲线，再通过曲线得到CPGE电流的强度I_C，并最终得到I_C-β曲线；最后，根据I_C-β曲线上的函数关系偏离正弦函数的相对大小，得到CPGE电流各向取向的变化，从而判定出半导体二维电子气系统中能带自旋分裂的决定性机理。