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Ⅲ-Ⅴ族量子结构材料生长及相关自旋电子学的研究

专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: 分子束外延 量子点 量子阱 自旋驰豫 砷化镓 砷化铝镓
分类号: TN301
形 态: 共 125 页 约 81,875 个字 约 3.916 M内容
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内容摘要


本文首先详细介绍了分子束外延设备的原理和构造。

采用原子力显微镜研究了InSb/GaAs量子点的生长特点。

采用室温光荧光谱、高分辨x射线衍射仪和低温光荧光谱对在GaAs 110衬底上生长高Al组分的AlGaAs材料进行了研究。

然后本文利用不同工艺条件下在GaAs110衬底上生长GaAs时反射高能电子衍射强度振荡呈现单双周期变化的特点,找到了一种在GaAs110衬底上生长高质量量子阱的可行方法,运用时间分辨Kerr旋转谱、X射线反射谱、光致荧光光谱、透射电子显微镜等测量手段研究了不同生长条件对量子阱内电子的自旋驰豫的影响。

最后本文采用时空分辨的Kerr旋转光谱的方法在AlGaAs/InGaAs量子阱结构样品上在室温下观测到了自旋霍尔逆效应。

主要研究内容和结果如下:1.通过原子力显微镜研究了InSb/GaAs量子点的生长特点。

在GaAs衬底上生长了不同原子层ML厚度的InSb量子点,发现随着原子层数的增加,InSb量子点的密度增加,到2.5 ML时量子点密度最大,再增加原子层数,量子点开始合并,密度减小,尺寸变大。

2.在GaAs 110衬底上生长高Al组分的Al<,0.4>Ga<,0.6>As时,生长温度和 As<,2>/Ga束流等效压强比对材料晶体质量和光学性能有重要的影响。

本文采用分子束外延技术在GaAs 110衬底上生长了一系列生长温度和As<,2>/Ga束流等效压强比不同的样品,通过室温光荧光谱、高分辨x射线衍射仪和低温光荧光谱对这些样品进行了分析,找到了在GaAs 110衬底上生长高质量高Al组分的Al<,0.4>Ga<,0.6>As生长条件。

3. GaAs110衬底上生长GaAs外延层时,不同生长条件下存在单层和双层两种生长模式,对应反射高能电子衍射RHEED强度振荡呈现出单双周期的变化。

透射电子显微镜和室温光荧光谱测量结果表明:

在双层生长模式下量子阱样品光学性能较差,而在单层生长模式下量子阱光学性能较好,但是界面会变粗糙。

利用这一特点,我们采用反射高能电子衍射强度振荡技术,找到了一种在GaAs110衬底上生长高质量量子阱的可行方法。

4.通过掠入射x射线反射谱和时间分辨Kerr旋转谱研究了界面生长中断对量子阱内电子自旋寿命T的影响。

研究表明在量子阱反转界面AlGaAs上生长GaAs的界面的中断比在正常界面GaAs上生长AlGaAs的界面的中断对自旋寿命有更大的影响。

我们生长了一系列在反转界面上中断不同时间的量子阱样品。

对样品进行了掠入射x射线反射谱的研究,标准软件模拟结果显示量子阱的粗糙度随中断时间增加而减小。

室温下时间分辨克尔旋转谱的测试表明合适的界面生长中断时间可以显著地提高自旋寿命。

我们认为这主要是因为生长中断减少了界面粗糙度,抑制了D′yakonov-Perel′相互作用,从而提高了自旋寿命。

5.利用标准光刻和湿法腐蚀工艺在AlGaAs/InGaAs量子阱样品上制作了多端霍尔棒结构,采用时空分辨的Kerr旋转光谱的方法,室温下在样品上观测到了自旋霍尔逆效应。

作为自旋霍尔效应的补充,它说明了电荷输运有可能通过自旋自由度来驱动。

这对半导体自旋电子器件的研制有着重要的意义..……

全文目录


文摘
英文文摘
第一章 分子束外延
第一节 引言
第二节 分子束外延设备概述
第三节 固态源Ⅲ-Ⅴ族分子束外延材料生长机理
第四节 分子束外延几个关键技术
1.4.1真空
1.4.2 MBE诊断和分析
1.4.3产业化
第五节 本文的主要研究内容及创新点
参考文献
第二章 在GaAs衬底上生长InSb量子点
第一节 引言
第二节 量子点自组织生长的基本原理
第三节 材料结构和生长条件
第四节 实验结果和讨论
第五节 结论
参考文献
第三章 半导体自旋电子学的研究与应用进展
第一节 引言
第二节 磁性半导体
第三节 自旋的注入和检测
3.3.1欧姆式自旋注入
3.3.2隧道结自旋注入
3.3.3热电子自旋注入
3.3.4自旋的检测
第四节 自旋的输运
第五节 半导体电子自旋的控制和操纵
第六节 结束语
参考文献
第四章 在GaAs110衬底上生长GaAs和Al0.4Ga0.6As外延层
第一节 引言
第二节 在GaAs110衬底上生长GaAs同质外延层
第三节 在GaAs110衬底上生长Al0.4Ga0.6As外延层
4.3.1材料生长
4.3.2实验结果和讨论
第四节 本章 小结
参考文献
第五章 AlGaAs/GaAs110量子阱的生长和量子阱内电子的自旋驰豫
第一节 引言
第二节 RHEED振荡与材料生长
5.2.1 RHEED振荡
5.2.2材料结构和生长条件
5.2.3 RHEED振荡曲线
5.2.4 TEM、低温PL谱和室温PL谱分析
5.2.5生长温度对自旋驰豫时间的影响
第三节 界面生长中断对量子阱自旋寿命的影响
5.3.1材料结构和生长条件
5.3.2界面中断
第四节 As2和As4生长模式下生长量子阱的比较
第五节 生长条件对量子阱内电子自旋驰豫时间的影响
5.5.1样品结构和实验过程
5.5.2实验测试结果和讨论
第六节 时间分辨光致荧光光谱和时间分辨克尔旋转谱的比较
5.6.1样品结构和实验过程
5.6.2实验测试结果和讨论
第七节 本章 小结
参考文献
第六章 退火和变激发条件对量子阱内电子自旋寿命的影响
第一节 退火对量子阱内电子自旋寿命的影响
6.1.1样品结构和实验过程
6.1.2实验结果
第二节 变激发条件对量子阱内电子自旋驰豫时间的影响
6.2.1材料结构和生长条件
6.2.2实验结果和讨论
第三节 本章 小结
参考文献
第七章 室温下自旋霍尔逆效应的实验观测及相应自旋器件工艺
第一节 引言
第二节 室温下自旋霍尔逆效应的实验观测
7.2.1样品结构和生长条件
7.2.2器件的工艺制作过程
7.2.3室温下自旋霍尔逆效应的实验观测
第三节 剥离衬底工艺
第四节 本章 小结
参考文献
第八章 结论

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中图分类: > TN301 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 基础理论

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