Upload
nerina
View
87
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
СПИНОВЫЕ СПИНОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ
ДИОДЫДИОДЫ((научно-популярная презентация)научно-популярная презентация)
Данилов Ю.А.Научно-исследовательский физико-технический
институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
Основной принцип работы ССИДВ основе работы спинового светоизлучающего диода (ССИД) лежит явление формирования циркулярно-поляризованного излучения в результате рекомбинации спин-ориентированных носителей.
Межзонные излучательные переходы исоответствующие оптические поляризации дляслучаев: (а) объемного материала с вырожденными зонами тяжелых и легких дыроки (в) квантовой ямы, в которой механическиенапряжения и квантовое ограничение снимаютвырождение зон тяжелых и легких дырок.
В активной области ССИД происходит формирование циркулярно-поляризован-ного излучения в результате рекомбинации спин-ориентированных носителей. Для электронных переходов выполняется правило отбора. В частности, в прямо-зонном полупроводнике типа GaAs при переходах вблизи k=0 могут быть реали-зованы 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 излуче-ния σ+) и относительная интенсивность этого перехода равна 3. Импульс сохраня-ется, поскольку –1/2=1+(–3/2). Аналогично, для электронов другой спиновой под-зоны n+ (mj = +1/2) возможен переход в состояние mj = –1/2 с образованием фото-на 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, интенсив-ности переходов с образованием циркулярного левополяризованного (σ+ поляри-зация) и правополяризованного (поляризация σ–) излучения одинаковы, т.е. полу-чается неполяризованное излучение. Ситуация меняется, если инжектируются по-ляризованные по спину электроны (или дырки). В результате рекомбинации носи-телей преобладает либо право- либо лево-поляризованное излучение.
С учетом относительных вероятностей переходов следующее уравнение дает соотношение между спиновой (Пinj) и оптической (ПСР) поляризациями:
2)(2)3()3()3()3(
)()()()( inj
CP nnnn
nnnnnnnn
IIII
где I(σ+) и I(σ–) – интенсивности света для σ+ и σ– поляризаций, соответственно. Здесь n↑ и n↓ - плотности «спин-вверх» 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.
Основные соотношения
Ситуация в квантовых ямахВ 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:
injCP nnnn
nnnn
IIII
3333
)()()()(
Геометрия включения спиновых светоизлучающих диодов
Схематическое представление спинового СИД при использовании (а) геометрии Фарадея, (b) геометрии Фойхта.
Дизайн спиновых светодиодовССИД 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 спин-ориентированных электронов, а также проводящую подложку и базовый омический контакт
Степень циркулярной поляризации излучения
IIIIP
Перспективные конструкции ССИДИспользование 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
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.
Спиновые светодиоды могут служить для реализации поляризационного способа кодирования информации, передаваемой по оптическим линиям связи.
Список рекомендуемой литературы:
1. Golub, M. Spin-polarized light-emitting diodes and lasers / M. Golub, P. Bhattacharya // J. Phys. D: Appl. Phys. -2007. V.40.- P.R179-R203.
2. 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.
3. Оптическая ориентация / Ред. Б.П. Захарченя, Ф.Майер. - Л.: Наука, 1989. - 408 с.
4. Semiconductor Spintronics and Quantum Computation / Ed. by D.D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth. Berlin: Springer, 2002. - 311 p.
5. 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.
12
Светодиоды с дельта<Mn>-легированными GaAs слоями
Структуры с дельта<Mn>-легированным GaAs слоем
13
Формирование: комбинированная методика МОС-гидридной эпитаксии
и лазерного нанесения
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
-200
-100
0
100
200
35 K
10 K
20 K
R H, О
м
H, Э
0.2 MC
Структура обладаетферромагнитными
свойствами
Аномальный эффектХолла при Т ≤ 35 К
I
RH
H
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000-2,5
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
50 K
20 K 0.2 MC
35 K
MR,
%
H, Э
10 K
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 2009-2013 гг. (мероприятие 1.2.2)