随着半导体技术的不断发展,传统的基于电子输运性质的晶体管已经接近其物理极限。传统晶体管的工作原理基于电子的输运性质,一方面其能耗较大,并带来散热问题;另一方面器件的工作频率也受制于电子的输运速度。自旋是电子的另一个重要特征,由于自旋翻转的能量远低于电子输运的能量,且自旋翻转的速度也远快于电子输运,因此基于电子自旋性质开发的量子计算机、量子存储器等自旋电子学器件比传统基于电子输运性质的器件有较大的优势。为了将自旋电子学器件推向实用化,需要解决自旋产生、自旋传输、自旋探测三个问题。对于半导体材料来说,由于材料内部存在多种弛豫机制,厘清电子与各种势场的相互作用,以便有针对性地对材料进行优化,这对于制作实用的自旋电子学器件非常关键。近年来,人们发现将N元素加入Ga As会在室温下产生自旋依赖复合效应,这一效应使Ga As N材料的自旋极化率远高于一般的Ga As材料。Sb和Bi与N同为V族元素,这暗示着将Sb和Bi加入Ga As也可能产生一些比较奇异的自旋特性。因此研究Ga As Sb和Ga As Bi的自旋特性对于未来可能的自旋电子学器件非常有价值。此外,通过调节As和Sb的比例,Ga As Sb合金的带隙范围可以在1.42e V(870nm)和0.726e V(1700nm)之间调节。由于波长高度可调,且覆盖了包括1310nm和1550nm这两个重要的光通讯波长,其应用价值大幅提高。目前基于Ga As Sb的红外发光二极管、红外激光器、红外探测器、太赫兹量子级联激光器、太赫兹异质结双极型晶体管都已经被开发出来,因此Ga As Sb在光学应用方面的巨大潜力已经得到证明,但是关于Ga As Sb材料自旋性质的研究很还很少见。铋(Bi)是最重的非放射性元素,将其引入Ga As材料,会引起很大的自旋轨道耦合分裂,理论计算Ga Bi的自旋轨道耦合分裂能为2.15e V(目前还未生长出来)。由于Bi与As在电负性、原子大小方面存在巨大差异,将Bi掺入Ga As会引起局域的Bi态与Ga As价带的相互作用,这种相互作用使价带分裂为两个子代,造成巨大的能带收窄(Giant Bandgap Reduction)。实验发现掺入1%的Bi到Ga As会引起90me V的带隙收窄,只需要掺入10%的Bi到Ga As中即可将材料的带隙收窄到0.8e V(1550nm),这显示出Bi是一种高效的Ga As带隙调控材料。典型的红外光电器件如红外激光二极管、红外光电探测器、太阳能电池都已经被开发出来。但是由于Bi与As的电负性、原子大小差异较大,因此材料生长难度大,相关的研究也还非常不足。基于巨大的应用前景及当前的研究现状,我们开展了相关的研究工作,主要工作内容如下:1.我们运用连续波光学取向谱和Hanle效应研究了锑组分约为6%的Ga As Sb材料的光自旋极化率和有效自旋退相干时间(g Ts)随温度的变化。在大约120K左右我们测得的光自旋极化率约为21%,有效自旋寿命g Ts在5K到200K范围内由1.5ns单调下降到20ps。我们的研究说明将少量Sb元素加入Ga As就会引起大的自旋轨道相互作用,并因此明显地改变Ga As的自旋性质。此外我们还对各个温度下的复合、弛豫特征时间进行了分析,对Ga As Sb材料的自旋弛豫机理进行了指认。2.我们从影响光致发光偏振度的几个原因出发,通过施加纵向磁场以及进行生长后热处理,明显地提高了Ga As Sb样品的自旋极化率。通过施加10T的纵向磁场,光自旋极化率在105K时由19%提高到了40%,增强了一倍。另一方面,通过生长后的热处理处理缩短电子寿命,我们将180K时材料的光自旋探测效率由大约6%提高到23%,增强了3倍。我们对两种提高极化率方法的原理都进行了详细的分析。3.我们通过连续波光致发光(CWPL)和时间分辨光致发光(TRPL)研究了Ga As Sb薄膜在不同温度下的光电性质。我们发现样品的两个光致发光信号都随激发功率的提高而发生蓝移,这说明两个发光信号都来自局域态。从TRPL来看,我们的样品发光在经受脉冲激发之后发光强度并非随时间随时间单调下降,我们提出了一个半定量模型来解释这一实验现象,并对提取的参数进行了详细的分析。4.我们用光调制反射技术研究了分子束外延生长的GaAs Bi材料。我们在Ga As Bi材料的调制谱中观察到了奇异的展宽和强度变化。E0跃迁和E0+ΔSO跃迁都随着Bi组分的提高而出现了明显的展宽,且E0跃迁展宽更加明显。我们认为E0跃迁的展宽主要来源于合金的不均匀性引起的轻重空穴的分裂,同时与Bi对以及其他Bi相关的缺陷引起的带尾态也促使了调制反射谱的展宽。同时,随着Bi组分的提高,E0跃迁与E0+ΔSO跃迁的调制信号强度比从大约35倍降低到大约4倍。这意味着将Bi的引入会同时影响轻空穴带、重空穴带以及自旋轨道分裂带的能带结构,但其影响程度明显不同。通过测试和分析样品的光调制反射激发谱,我们确认了Bi的掺入会高效地调控材料的光电性质。5.我们研究了Ga As Bi材料中Ga Bi模和Ga As-LO模的拉曼散射强度关系,并提出了一个通过提取和计算拉曼散射强度来计算Ga As Bi中Bi组分的方法。该方法在Bi组分小于3%时得到的结果与通过峰位移动得到的结果符合得很好,这为稀Bi材料的组分指认提供了一个新的备选方案。