專利名稱：一種半導體中電子自旋有效壽命的連續(xù)單光束測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子自旋有效壽命的光學測試方法。其特點是使用連續(xù)單束光， 因而設備簡單，廉價。屬半導體參數光學測試技術領域，具有廣闊的應用前景。
背景技術：
近年來，半導體自旋電子學研究成為國際前沿熱點。電子自旋有效壽命成為最基本、最必要的測試參數之一。目前發(fā)展的電子自旋有效壽命光學測試方法主要是基于飛秒或皮秒鎖模脈沖激光的時間分辨泵浦_探測技術，如時間分辨圓二色飽和吸收光譜和法拉第光譜。另一方面，還發(fā)展了基于發(fā)光圓偏振度時間分辨測量的技術。然而，這種技術的設備就更昂貴了，不僅需要鎖模脈沖激光，而且還需要昂貴的條紋照相機。這些昂貴、并且實驗操作復雜的實驗測試技術極大地限制了自旋電子學實驗研究的廣泛開展。相反，漢勒 (Hanle)效應是一種簡單的電子自旋有效壽命光學測試技術。它使用連續(xù)的圓偏振激光束激發(fā)半導體樣品，探測發(fā)光圓偏振度隨外加磁場強度的變化，則可以獲得電子自旋的壽命。 但這種測試技術只限于輻射復合較強或發(fā)光效率較高的半導體樣品的電子自旋有效壽命測量，而不適合于不發(fā)光或發(fā)光弱的半導體的電子自旋有效壽命的測量。最近，國際上報道了電子自旋有效壽命的自旋噪聲光譜測試技術。它也是使用單束連續(xù)光，但需要高速采樣示波器。而目前的高速采樣示波器的采樣速率到幾個GHz的，價格也很昂貴，并且所能測試的自旋有效壽命在Ins以上。此外，這種技術只能測試η型摻雜半導體樣品。綜上所述，發(fā)明一種實驗設備廉價、操作簡單、適用范圍廣泛的電子自旋有效壽命測試技術是非常必要的。本發(fā)明正是要實現這一目標，使用廉價的連續(xù)單束激光測試半導體中電子自旋的有效壽命，而對半導體沒有任何限制，不管它是否發(fā)光、自旋有效壽命長短，均可測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明發(fā)展了一種連續(xù)的單光束激光測試半導體中電子自旋有效壽命的方法，其實驗測試原理如

圖1所示，實驗裝置簡單，價格低廉。非偏振連續(xù)激光束1通過起偏器2后， 變成線偏振光，其偏振方向與Y軸成θ角度，此角度是可調節(jié)的。此偏振光通過1/4波片 3后，變成橢圓偏振光。3的快、慢軸分別沿X’、Y’方向，而X’ -Y’坐標相對X-Y坐標旋轉 45度角。由3產生的橢圓偏振光激發(fā)樣品4，則在樣品中激發(fā)起電子自旋極化，因為橢圓偏振光包含不同強度的左、右旋圓偏振分量。根據半導體物理的光激發(fā)電子躍遷理論，左和右旋圓偏振光分別能夠激發(fā)與光波矢同向和反向的電子自旋極化取向，所以，不同強度的左和右圓偏振光同時激發(fā)半導體樣品，能夠激發(fā)起電子自旋極化方向與光波矢同向或反向的電子自旋極化，而自旋極化的取向依賴橢圓偏振光的旋向，即左或右旋。樣品中的電子自旋極化會導致法拉第效應和圓二色吸收效應。分別表現為透過樣品的橢圓偏振光的主軸旋轉一個角度(稱為法拉第旋轉角)和橢圓率發(fā)生變化。并且這些變化隨樣品4上沿Y軸方向施加的磁場強度B變化而變化。實驗上通過使用高靈敏度的平衡光探測器10測量法拉第轉角或圓二色吸收隨B的變化關系，就能夠基于相關的理論模型獲得電子自旋的有效壽命。顯然，本發(fā)明的測試方法中既不使用昂貴的脈沖激光，也不使用昂貴的高速探測器和數字采樣示波器。因而，實驗設備價格低廉，有助于這種測試技術的廣泛應用。假設橢圓偏振光激發(fā)半導體樣品，而樣品上沒有外加磁場時，產生的穩(wěn)定電子自旋極化為Stl，則在樣品上施加Y向磁場強度B時，橢圓偏振光激發(fā)的沿光波矢(Z方向)方向的穩(wěn)定電子自旋極化為
權利要求
1.一種半導體中電子自旋有效壽命的連續(xù)單光束測試方法，使用連續(xù)單激光束、偏振片、1/2和1/4波片、偏振分束棱鏡、衰減片、平衡光探測器和可變磁場；激光束通過偏振片和1/4波片后變?yōu)闄E圓偏振光，在半導體樣品中激發(fā)起電子自旋極化；其特征在于此電子自旋極化會感應法拉第效應，使透過樣品的橢圓偏振光的主軸旋轉一個角度，并且此轉角隨樣品面內施加不同的磁場強度B而變化；使用平衡光探測器測量此轉角變化對應的輸出電壓Vf隨磁場強度的變化曲線，并用方程(1)擬合該曲線，則可以獲得電子自旋的有效壽命τ*;
2.權利要求1中所述的一種半導體中電子自旋有效壽命的連續(xù)單光束測試方法，其特征是電子自旋極化會感應圓二色吸收效應，使透過樣品的橢圓偏振光的左和右旋圓偏振光分量的吸收系數之差不為零，并且此差值隨樣品面內施加不同的磁場強度B而變化；使用平衡光探測器測量此吸收系數差變化對應的輸出電壓V。隨磁場強度的變化曲線，并用方程 ⑵擬合該曲線，則可以獲得電子自旋的有效壽命τ全文摘要
一種半導體中電子自旋有效壽命的連續(xù)單光束測試方法，使用連續(xù)單激光束、偏振片、1/2和1/4波片、偏振分束棱鏡、衰減片、平衡光探測器和可變磁場，組成附圖所示實驗測量光路。連續(xù)單激光束既激發(fā)半導體中電子自旋極化，又測試自旋極化感應的法拉第效應和圓二色吸收效應。實驗裝置簡單，造價低廉。實驗上測試法拉第轉角或圓二色吸收隨磁場強度的變化曲線，并用發(fā)展的理論模型擬合此變化曲線，就能獲得電子自旋的有效壽命。
文檔編號G01N21/63GK102288584SQ201110109338
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月28日 優(yōu)先權日2011年4月28日
發(fā)明者李佳明, 賴天樹, 黃曉婷 申請人:中山大學