Transcript Спиновые светоизлучающие диоды (ССИД)»&nbsp

СПИНОВЫЕ
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ
ДИОДЫ
(научно-популярная презентация)
Данилов Ю.А.
Научно-исследовательский физико-технический
институт Нижегородского государственного
университета им. Н.И. Лобачевского
[email protected]
Основной принцип работы ССИД
В основе работы спинового светоизлучающего диода
(ССИД) лежит явление формирования циркулярнополяризованного излучения в результате рекомбинации
спин-ориентированных носителей.
Межзонные излучательные переходы и
соответствующие оптические поляризации для
случаев: (а) объемного материала с
вырожденными зонами тяжелых и легких дырок
и (в) квантовой ямы, в которой механические
напряжения и квантовое ограничение снимают
вырождение зон тяжелых и легких дырок.
В активной области ССИД происходит формирование циркулярно-поляризованного излучения в результате рекомбинации спин-ориентированных носителей.
Для электронных переходов выполняется правило отбора. В частности, в прямозонном полупроводнике типа GaAs при переходах вблизи k=0 могут быть реализованы следующие ситуации. Для электронов зоны проводимости n– (подзона с
магнитным квантовым числом mj = –1/2) возможен переход в состояние mj = –3/2
в валентной зоне с образованием фотона со спином Sph = 1 (поляризация излучения σ+) и относительная интенсивность этого перехода равна 3. Импульс сохраняется, поскольку –1/2=1+(–3/2). Аналогично, для электронов другой спиновой подзоны n+ (mj = +1/2) возможен переход в состояние mj = –1/2 с образованием фотона с Sph = 1 (также σ+ поляризация), и интенсивность этого перехода равна 1. Для
электронов n– (mj = –1/2) возможен переход в состояние mj = +1/2 с образованием
фотона с Sph = –1 (поляризация σ–); интенсивность этого перехода равна 1. Для
электронов n+ (mj = +1/2) возможен переход в состояние mj = +3/2 с образованием
фотона с Sph = –1 (поляризация σ–) и, и интенсивность этого перехода равна 3. В
том случае, когда в светоизлучающий слой гетероструктуры (чаще всего это –
квантовая яма) инжектируются неполяризованные по спину носители, интенсивности переходов с образованием циркулярного левополяризованного (σ+ поляризация) и правополяризованного (поляризация σ–) излучения одинаковы, т.е. получается неполяризованное излучение. Ситуация меняется, если инжектируются поляризованные по спину электроны (или дырки). В результате рекомбинации носителей преобладает либо право- либо лево-поляризованное излучение.
Основные соотношения
С учетом относительных вероятностей переходов следующее
уравнение дает соотношение между спиновой (Пinj) и
оптической (ПСР) поляризациями:
 CP
 inj
n  n
I (  )  I (  ) (3n  n )  (3n  n )






2
I ( )  I ( ) (3n  n )  (3n  n ) 2(n  n )
где I(σ+) и I(σ–) – интенсивности света для σ+ и σ–
поляризаций, соответственно. Здесь n↑ и n↓ - плотности «спинвверх» и «спин-вниз» электронов. Поскольку переходы,
вовлекающие тяжелые дырки, в три раза более вероятны, чем
переходы, вовлекающие легкие дырки, фотоны эмиттируются
с их угловым моментом, ориентированным против
направления спиновой поляризации.
Ситуация в квантовых ямах
В случае, когда активная область выполнена в виде КЯ, то вследствие
квантового ограничения и, возможно, эпитаксиальных напряжений
вырождение (в центре зоны) между валентными зонами тяжелых и легких
дырок снимается. Для напряженно сжатых квантовых ям In1-xGaxAs/GaAs
зона тяжелых дырок энергетически выше, чем зона легких дырок. Таким
образом, состояния легких дырок могут не учитываться, поскольку
переходы с участием тяжелых дырок в три раза более вероятны, чем
переходы, вовлекающие валентные состояния легких дырок. В этом случае
спиновая поляризация в точности равна степени циркулярной
поляризации, снова с угловым моментом фотона, ориентированным
напротив направления спиновой поляризации:
 CP
I (  )  I (  ) 3n  3n n  n



  inj


I ( )  I ( ) 3n  3n n  n
Геометрия включения спиновых
светоизлучающих диодов
Схематическое представление спинового СИД при использовании
(а) геометрии Фарадея, (b) геометрии Фойхта.
Дизайн спиновых светодиодов
Степень циркулярной
поляризации излучения
I  I
P
I  I
ССИД включает следующие
составные
части:
инжектор
поляризованных
по
спину
носителей,
активную
(излучающую) область (обычно
это квантовая яма или слой
квантовых
точек),
спейсер,
пространственно разделяющий
первые две указанные области, в нем происходит дрейф спинориентированных электронов, а
также проводящую подложку и
базовый омический контакт
Перспективные конструкции ССИД
Использование в качестве инжектора спин-поляризованных
дырок ферромагнитного полупроводника GaMnAs [2]
Схемы ССИД с соответствующими направлениями детектирования
электролюминесценции и магнитного поля. Используется (слева)
инжекция дырок со спином, поляризованным перпендикулярно
направлению тока и (справа) вариант прибора, когда дырочный газ
поляризован вдоль направления тока.
Потенциальные применения ССИД
Спиновые светодиоды могут служить для реализации
поляризационного способа кодирования информации,
передаваемой по оптическим линиям связи.
Поскольку степень и направление циркулярной
поляризации излучения прямо связаны со степенью и
ориентацией спина носителей тока, то структуры
ССИД также служат для изучения спиновых явлений
в полупроводниках, для отработки принципов
функционирования и технологических приемов
изготовления приборов спинтроники.
Список рекомендуемой
литературы:
1.
2.
3.
4.
5.
Golub, M. Spin-polarized light-emitting diodes and lasers / M. Golub,
P. Bhattacharya // J. Phys. D: Appl. Phys. -2007. V.40.- P.R179-R203.
Anisotropic electrical spin injection in ferromagnetic semiconductor
heterostructures / D.K. Young, E. Johnston-Halperin, D.D.
Awschalom, Y. Ohno, H. Ohno // Appl. Phys. Lett. – 2002. – V.80. –
P.1598-1600.
Оптическая ориентация / Ред. Б.П. Захарченя, Ф.Майер. - Л.:
Наука, 1989. - 408 с.
Semiconductor Spintronics and Quantum Computation / Ed. by D.D.
Awschalom, D. Loss, N. Samarth. Berlin: Springer, 2002. - 311 p.
Matsukura, F. III-V Ferromagnetic Semiconductors / F. Matsukura,
H. Ohno, T. Dietl // Handbook of Magnetic Materials. V.14, ed. K.H.J.
Buschow. Elsevier, 2002. Chap.1. – P.1-88.
Основные разработки НИФТИ
ННГУ в области ССИД
Нами разработаны три типа конструкций ССИД на базе
квантово-размерных структур InGaAs/GaAs:
1) с инжектором, выполненным в виде слоя ферромагнитного
металла (Co, Ni);
2) с инжектором, представляющим собой достаточно толстый
(30 – 200 нм) слой ферромагнитного полупроводника
(А3,Mn)B5 или полуметаллического соединения MnB5;
3) с дельта<Mn>-легированным слоем, расположенным вблизи
квантовой ямы (КЯ).
Общие особенности:
подложка n-GaAs и вывод излучения через нее в геометрии
Фарадея;
инжекция дырок;
методика выращивания базовой эпитаксиальной структуры.
Светодиоды с дельта<Mn>-легированными
GaAs слоями
12
Структуры с дельта<Mn>-легированным GaAs слоем
Формирование: комбинированная
методика МОС-гидридной эпитаксии
и лазерного нанесения
RH
I
H
20 K
200
RH, Ом
100
35 K
0
-100
10 K
0.2 MC
-200
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
3000
H, Э
Аномальный эффект
Холла при Т ≤ 35 К
Структура обладает
ферромагнитными
свойствами
1,5
10 K
1,0
MR, %
0,5
50 K
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
35 K
20 K
-3000 -2000 -1000
0.2 MC
0
H, Э
1000
2000
3000
13
Для геометрии Фарадея
(эмиссия регистрируется с
базовой стороны структуры)
электролюминесценция
циркулярно поляризована в
магнитном поле
Степень циркулярной поляризации
ЭЛ ( PC ) зависит от количества
(QMn ) атомов Mn atoms в
дельта<Mn>-слое и от толщины
(ds ) спейсера между КЯ и
дельта<Mn>-слоем. Наибольшее
значение PC (≈ 50%) было
достигнуто при ds = 3 нм и QMn ≈
0.3 монослоя.
Инжекция спин-поляризованных
носителей из ферромагнитного металла
Избранные публикации творческого
коллектива
• Циркулярно-поляризованная электролюминесценция квантово-размерных
гетероструктур InGaAs/GaAs с контактом Шоттки «ферромагнитный
металл/GaAs» / М.В. Дорохин, С.В. Зайцев, В.Д. Кулаковский, Н.В.
Байдусь, Ю.А. Данилов, П.Б. Демина, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова // Письма
в Журнал Технической Физикию – 2006. - Т.32, в.24. - С.46-52.
• Circularly polarized electroluminescence in LED heterostructures with
InGaAs/GaAs quantum well and Mn -layer / Zaitsev S.V., Kulakovskii V.D.,
Dorokhin M.V., Danilov Yu.A., Demina P.B., Sapozhnikov M.V., Vikhrova
O.V., Zvonkov B.N. // Physica E. – 2009. – V.41, n.4. – P.652-654.
• Emission properties of InGaAs/GaAs heterostructures with delta<Mn>-doped
barrier / M.V. Dorokhin, Yu.A. Danilov, P.B. Demina, V.D. Kulakovskii, O.V.
Vikhrova, S.V. Zaitsev, B.N. Zvonkov // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2008. - V.41.
- P.245110.
• Manganese Distribution and Galvanomagnetic Properties of Delta<Mn>-Doped
GaAs Structures / Yu.A. Danilov, M.N. Drozdov, Yu.N. Drozdov, A.V. Kudrin,
O.V. Vikhrova, B.N. Zvonkov, I.L. Kalentieva, V.S. Dunaev // J. Spintronics and
Magnetic Nanomaterials. – 2012. – V.1, n.1. – P.82-84.
Презентация создана при выполнении
гранта №14.В37.21.0346 «Создание
эффективных светоизлучающих
диодов расширенной
функциональности» в рамках ФЦП
«Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» на 20092013 гг. (мероприятие 1.2.2)