低维半导体结构的自旋轨道耦合和自旋霍尔效应的自旋光电流研究

Circular photogalvanic effect (CPGE) and its spectra are powerful tools to investigate the spin orbit coupling of semiconductors, while photoinduced anomalous Hall effect (PAHE) and its specta are new and convenient photoelectric technologies to investigate the spin Hall effect of semiconductors. By combining these two technologies, we study the influence of the design of the structure, asymmetry of the interfaces, uniaxial and biaxial strain and the electric field on the spin orbit coupling and the spin Hall effect. By tunning the strength of spin oribt coupling and the concentration of the carriers by the gate voltage, and by comparing the signals detected in n-,p-doped and undoed quantum wells, we investigate the influence of these factors on CPGE and PAHE, thus to find out effective ways to tune the spin oribt coupling, and explore the dominant mechanism of the spin Hall effect is intrinsic or extrinsic. By measuring the CPGE and PAHE specta of semiconductor quantum wells with n-, p-doped and undoped under different temperatures or at different wavelength region (for example, wavelength for inter-band or inter-subband transition), we investigate the influence of the excitonic effect on the spin orbit coupling, spin splitting and spin Hall effect, thus to explore the possible application of the excitonic effect in the spin-photonic devices.

圆偏振光致电流及其光谱是研究半导体自旋轨道耦合的有力工具，而光致反常霍尔电流及其光谱是一种研究自旋霍尔效应非常有效方便的新型光电测试技术。本项目通过将圆偏振光致电流和光致反常霍尔电流及其光谱相结合，研究结构参数、界面对称性、单轴和双轴应变、电场对自旋轨道耦合以及自旋霍尔效应的影响。通过栅压调控自旋轨道耦合强度大小和载流子浓度，以及比较n、p型调制掺杂以及无掺的量子阱样品，研究载流子浓度和类型对圆偏振光致电流和光致反常霍尔电流的影响，探索对自旋轨道耦合进行有效调控的方法，探究自旋霍尔效应的主导机制为本征机制还是非本征机制。通过变温、变波段圆偏振光致电流光谱和光致反常霍尔电流光谱测试，以及比较分析n、p型调制掺杂以及无掺的量子阱样品的自旋光电流光谱，研究激子效应对自旋轨道耦合、自旋分裂以及自旋霍尔效应的影响，探索激子效应在自旋光电子器件的可能应用。

圆偏振光致电流是研究半导体低维结构自旋轨道耦合的有效手段，光致反常霍尔电流是研究自旋霍尔效应的新型光电技术。本项目将这两种光电流技术结合起来，并结合反射差分光谱，研究了半导体量子阱结构参数、界面对称性、应变、电场对自旋轨道耦合、自旋霍尔效应和光致反常霍尔效应的影响，同时，我们提出了一种将半导体量子阱的自旋霍尔效应和光致反常霍尔效应的本征和非本征机制进行区分的方法。研究表明台阶量子阱中的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值比对称量子阱中大得多。研究发现界面超薄InAs层的插入不仅引入较强的Rashba自旋轨道耦合，也会同时引入由界面反演不对称导致的Dresselhaus自旋轨道耦合，而且这种由界面反演不对称导致的Dresselhaus效应在量子阱的阱宽较小时表现更为明显。研究还发现，光致反常霍尔效应（间接反映自旋霍尔效应）的值可以通过改变量子阱的阱宽和在量子阱的界面上插入超薄InAs层来调控。通过变温(77-290K)圆偏振光电流光谱测试，我们研究了激子效应对无掺杂InGaAs/AlGaAs量子阱中Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的影响。研究发现了激子效应对无掺杂InGaAs/AlGaAs量子阱中Rashba自旋轨道耦合有较大的影响，而对Dresselhaus自旋轨道耦合影响不大。同时，我们还获得了无掺杂InGaAs/AlGaAs量子阱Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的比值随温度的变化。此外，我们还通过变温、变波段圆偏振光致电流测试，研究了n型调制掺杂GaAs/AlGaAs二维电子气的Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合的调控机制。研究发现子带间激发将导致Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合随温度的升高而升高，然而532nm的带间激发下GaAs/AlGaAs二维电子气中Rashba自旋轨道耦合随温度的升高却变化不大。本研究实现了通过结构参数、界面对称性、温度、应变、变波段激发等方法来调控半导体低维结构自旋轨道耦合的目的，并揭示了其内部机制；揭示了激子效应对半导体量子阱自旋轨道耦合以及自旋光电流的影响及其内在规律；提出了区分光致反常霍尔效应以及自旋霍尔效应本征和非本征机制的方法；为实现基于半导体量子阱及异质结的自旋光电子器件奠定了重要基础。