Спин-зависимые магнитооптические и фотогальванические явления в гетероструктурах на основе InAs

Актуальность проблемы.

В последнее время в области физики полупроводниковых структур особый интерес вызывают исследования спиновых явлений. В частности, большие усилия сосредоточены на изучении спиновой динамики носителей заряда, особенностей их спин-орбитального взаимодействия, разработке методов создания и детектирования спиновой ориентации электронов и дырок путем исследования оптических и транспортных спин-зависимых эффектов. Успехи в области изучения явлений, связанных с оптической ориентацией, инжекцией поляризованных по спину носителей заряда из магнитных материалов, управления спином внешними полями создают базу для разработки новых функциональных устройств электроники, основанных на манипуляции спином [1].

Спиновая динамика носителей заряда определяется тонкой структурой их энергетического спектра и может управляться внешними воздействиями, такими как электрические и магнитные поля. Приложение внешнего магнитного поля приводит к расщеплению спиновых подзон электронов и дырок за счет эффекта Зеемана. В узкозонных Ш-У соединениях, обладающих большой величиной электронного ^—фактора, спиновое расщепление приводит к сильной спиновой поляризации носителей заряда. При этом соответствующие межзонные переходы оказываются циркулярно-поляризованными [2].

В настоящее время для изучения оптической ориентации электронов в полупроводниках и полупроводниковых гетероструктурах используется широкий спектр методов, таких как регистрация спиновой ориентации электронов по циркулярной поляризации фотолюминесценции, определение деполяризации излучения в магнитном поле (эффект Ханле) [3, 4], оптическая регистрация ядерного [5] и электронного [6] парамагнитных резонансов, исследование фотоэмиссии поляризованных электронов [7], изучение поверхностного поляризационно-зависимого фотогальванического эффекта [8], применение «pump-probe» методики с высоким разрешением [9, 10]. Среди названных методик следует особо отметить методы исследования полупроводниковых структур путем магнитооптических и фотогальванических измерений. Измерение циркулярно-поляризованной фотолюминесценции в ряде случаев позволяет непосредственно измерять степень спиновой поляризации носителей заряда, участвующих в излучательной рекомбинации [3]. Измерение фотогальванического эффекта позволяет оценивать величину эффекта Зеемана [8] в некоторых гетероструктурах, в которых отсутствуют излучательные переходы.

Арсенид индия является весьма перспективным материалом для решения задач спинтроники. Это обусловлено сочетанием ряда уникальных свойств, таких как малая эффективная масса электрона, сильное спин-орбитальное взаимодействие [11], большой собственный g-фактор электронов [12], рекордная подвижность двумерного электронного газа в гетероструктурах на основе InAs [13]. Важно отметить, что InAs близок по параметру решетки к другим представителям так называемого семейства «6.2 А» материалов, к которым относятся GaSb и AlSb [14]. Это позволяет создавать эффективные детекторы и лазеры инфракрасного диапазона, что делает InAs действительно универсальным материалом [15, 16, 102, 103].

Необходимо также отметить трудности, связанные с исследованием структур на основе InAs, излучающих в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. К ним, в первую очередь, относится сложность измерения циркулярно-поляризованной эмиссии, так как люминесцентная эффективность таких структур в среднем ИК-диапазоне относительно невеликас другой стороны, эффективность детекторов в таком диапазоне значительно ниже, чем у фотоэлектронных умножителей и ПЗС-матриц, используемых для регистрации света в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. Возможно, по этой причине поляризованная фотолюминесценция структур на основе 1пАз, в том числе в магнитном поле, изучена достаточно мало.

Диссертационная работа направлена на исследование магнитооптических и фотогальванических явлений в гетероструктурах на основе 1пА8, обусловленных спином носителей заряда. Экспериментальные гетероструктуры были получены методом молекулярно-пучковой эпитаксии. В работе исследовались гетероструктуры типа II с ультратонкими (1 монослой) вставками 1п8Ь в матрице МАб, гетеровалентные квантовые ямы А18Ь/1пА8/2п (Мп)Те и диодные структуры на основе 1пА8. Построены теоретические модели обнаруженных эффектов.

Цели и задачи работы.

Цель работы заключалась в исследовании спиновых свойств носителей заряда в гетероструктурах на основе 1пА8, полученных методом молекулярно-пучковой эпитаксии, и детальном рассмотрением факторов, влияющих на спин-зависимые магнитооптические и фотогальванические свойства данных структур.

Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие основные задачи:

• Исследование спиновых свойств носителей заряда в гетероструктурах типа II с ультратонкими (1 монослой) вставками 1п8Ь в матрице 1пА8:

— определение зависимости спиновой поляризации носителей заряда от температуры и интенсивности возбуждения с помощью измерения циркулярно-поляризованной магнито-фотолюминесценции в геометрии Фарадея гетероструктур типа II ЫЗЬЯпАб;

— расчет энергетического спектра носителей заряда в ультратонкой квантовой яме 1п8Ь/1пА8 методом сильной связи с учетом сложной зонной структуры, упругих напряжений в системе и влияния микроскопической структуры интерфейса;

— определение £-фактора тяжелых дырок и относительной силы осциллятора оптических переходов с участием электронов с различными спинами в монослойной вставке 1п8Ь в матрице 1пА8.

• Исследование спиновых свойств двумерного электронного газа в квантовых ямах А1 БЬЛпА я/7п (Мп)Те:

— исследование гигантского эффекта Зеемана двумерного электронного газа в гетеровалентной квантовой яме А18Ь/1пА8/2п (Мп)Те, обусловленного обменным взаимодействием электронов ¡-пАв канала с ионами Мп, находящимися в барьере, с помощью измерения магнитоиндуцированного фототока;

— оценка степени влияния Мп в 2п (Мп)Те барьере на магнитные свойства электронного газа в канале 1пАз;

— определение величины Зеемановского расщепления электронов в квантовой яме А18Ь/1пА8/7п (Мп)Те в зависимости от положения и поверхностной концентрации ионов Мп в 2п (Мп)Те барьере.

• Исследование спиновых свойств электронов в р-п структуре на основе ГпАБ:

— определение зависимости спиновой поляризации носителей заряда от температуры и интенсивности возбуждения с помощью измерения циркулярно-поляризованной магнитофотолюминесценции в геометрии Фарадея р-п структур на основе ¡-пАб;

— расчет к’р методом энергетического спектра электронов и дырок объемного ГпАв, находящегося во внешнем магнитном поле;

— оценка влияния встроенного электрического поля р-п структуры на основе 1пАв на вероятность рекомбинации электрона с легкой и тяжелой дыркой. Оценка степени подавления рекомбинации электрона с тяжелой дыркой электрическим полем.

Научная новизна и практическая значимость работы.

Научная и практическая значимость работы состоит в проведении комплексного экспериментального и теоретического исследования спин-зависимых магнитооптических и фотогальванических явлений в гетероструктурах на основе Тп Аз.

1. Впервые показано, что в гетероструктурах с ультратонкими (1 монослой) вставками 1п8Ь в матрице 1пАз благодаря сильному зеемановскому расщеплению электроны в зоне проводимости 1пАб и дырки, локализованные 1п8Ь вставками, полностью поляризованы по спину при гелиевой температуре и интенсивности возбуждения меньше 0.1 Вт/см2 во внешнем магнитном поле больше 2 Тл.

2. Экспериментально показано, что при самых низких температурах и интенсивностях возбуждения степень циркулярной поляризации излучения гетероструктур 1п8Ь/1пАз составляет 100%, увеличение температуры или интенсивности возбуждения приводит к уменьшению степени поляризации, смене ее знака и насыщению на уровне 10%.

3. Впервые на основе экспериментальных данных в рамках используемых моделей определены ¿—-фактор тяжелых дырок ghh = Ъ±и относительная сила осциллятора оптических переходов с участием электронов с различным спином г = 1.5 ± 0.3 в монослойной вставке 1п8Ь в матрице 1пАз.

4. Доказано существование двумерного электронного газа в структурах А18Ь/1пАз/2п (Мп)Те, демонстрирующего гигантское зеемановское расщепление.

5. Экспериментально и теоретически показано, что магнитные свойства электронов в квантовой яме А18Ь/ГпА8/2п (Мп)Те определяются положением.

04и поверхностной концентрацией ионов Мп в 2п (Мп)Те барьере.

6. Показано, что фотолюминесценция нелегированного слоя 1пАз, находящегося в электрическом поле р-п перехода, в условиях приложенного в геометрии Фарадея магнитного поля имеет аномальный знак циркулярной поляризации, величина которой достигает 90% в магнитном поле выше 2 Тл. 9.

На защиту выносятся следующие положения.

1. В ультратонких квантовых ямах InSb/InAs с толщиной 1 монослой циркулярная поляризация фотолюминесценции, регистрируемая в геометрии Фарадея, достигает 100% во внешнем магнитном поле более 2 Тл и температуре менее 10 К вследствие полной спиновой поляризации носителей, обусловленной эффектом Зеемана, и снятия вырождения подзон легких и тяжелых дырок в результате эффекта размерного квантования и действия упругих напряжений.

2. Величина и знак циркулярной поляризации фотолюминесценции из квантовых ям InSb/InAs во внешнем магнитном поле, приложенном в геометрии Фарадея, зависят от температуры и интенсивности оптического возбуждения, что обусловлено зависимостью силы осциллятора оптического перехода от энергии рекомбинирующих носителей.

3. В гетеровалентной квантовой яме AlSb/InAs/Zn (Mn)Te, в которой ионы Мп отделены от квантовой ямы InAs туннельно-прозрачным барьером ZnTe, при приложении магнитного поля возникает сильная спиновая поляризация двумерного электронного газа, величина которой зависит от.

14концентрации ионов Мп и их расположения в барьере ZnMnTe.

4. Фотолюминесценция слоя InAs, находящегося в электрическом поле р-п перехода, в условиях приложенного в геометрии Фарадея магнитного поля имеет аномальный знак циркулярной поляризации, величина которой достигает 90% в магнитном поле более 2 Тл.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и симпозиумах:

— 15th International Conference on Narrow Gap Systems (15-я Международная конференция по узкозонным материалам (Блэксбург, США 2011));

— 40th International School and Conference on the Physics of Semiconductors (40-я Международная школа и конференция по физике полупроводников (Крыница-Здруй, Польша, 2011));

— X Российская конференция по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2011);

— 18th International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology» (18-й Международный симпозиум «Наноструктуры: физика и технология» (Санкт-Петербург 2010));

— Международная зимняя школа по физике полупроводников (Зеленогорск, 2010);

— 30th International Conference on the Physics of Semiconductors (30-я Международная конференция по физике полупроводников (Сеул, Корея 2010));

— Международный форум по нанотехнологиям (Rusnanotech) (Москва.

2009).

Перечень публикаций, раскрывающих основное содержание диссертационной работы, представлен на стр. 120.

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Показано, что в гетероструктурах с ультратонкими (толщиной около 1 монослоя) вставками 1п8Ь в матрице 1пАб благодаря сильному зеемановскому расщеплению электронов в зоне проводимости 1пАз и дырок, локализованных 1п8Ь вставками, носители полностью поляризованы по спину при температуре ниже 10 К и интенсивности возбуждения меньше 0.1 Вт/см2.

2. Рассчитана зонная структура ультратонкой вставки 1п8Ь в матрице 1пА8 с помощью метода сильной связи с учетом упругих напряжений в системе и влияния микроскопической структуры гетероинтерфейсов.

3. Показано, что при криогенных температурах и низких интенсивностях возбуждения степень поляризации излучения гетероструктур ЫБЬЛпАз имеет 100% а" поляризацию, увеличение температуры или интенсивности возбуждения приводит к уменьшению степени поляризации, смене ее знака и насыщению на уровне 10%.

4. На основе экспериментальных данных в рамках предложенной модели определены ¿—-фактор тяжелых дырок (¿-ьь = 3 ± 1) и относительная сила осциллятора оптических переходов с участием электронов с различным спином (г = 1.5 ± 0.3) в монослойной вставке 1пБЬ в матрице 1пАб.

5. С помощью измерения магнитоиндуцированного фототока, возникающего при возбуждении гетероструктуры микроволновым излучением, экспериментально обнаружен гигантский эффект Зеемана для двумерного электронного газа в гетеровалентной квантовой яме А18ЬЯпА8/гп (Мп)Те.

6. Теоретически показано, что из-за наличия на гетероинтерфейсе 1пА8/2пТе большой концентрации заряженных донорных центров в квантовой яме А18ЬЛпА8/2п (Мп)Те возникает сильное встроенное электрическое поле, которое обеспечивает локализацию электронного газа КЯ у гетеровалентного интерфейса. В результате, волновая функция электронов ГпАб глубоко проникает в барьер и достигает слоев (2п, Мп) Те, что приводит к эффективному обменному взаимодействию с ионами марганца.

7. Экспериментально и теоретически показано, что магнитные свойства электронов в квантовой яме А^ЬЛпАБ^пМпТе могут управляться изменением положения и поверхностной концентрации ионов Мп в (2п, Мп) Те барьере.

8. Показано, что фотолюминесценция нелегированного слоя 1пА8, находящегося в электрическом поле р-п перехода, в условиях приложенного в геометрии Фарадея магнитного поля, имеет аномальную а+ поляризацию, величина которой достигает 90% в магнитном поле выше 2 Тл.

9. С помощью кр метода проведен детальный расчет энергетического спектра объемного 1пАз во внешнем магнитном поле на основе 8 зонной модели Пиджена и Брауна. С помощью правил отбора определен знак поляризации излучения для оптических переходов с нижних состояний электронов и дырок. Показано, что учет эффекта туннелирования в электрическом поле р-п перехода на основе 1пАз приводит к доминированию вклада легких дырок, что обеспечивает высокую степень о поляризации излучения.

В заключении мне хочется выразить глубокую признательность тем, без кого данная работа была бы невозможна.

Прежде всего, моему научному руководителю, Терентъеву Якову Васильевичу, а также руководителю группы Иванову Сергею Викторовичу, чье постоянное внимание и участие, всесторонняя помощь и поддержка позволили реализовать представленную программу исследований и способствовали написанию диссертационной работы.

Моим коллегам — технологам Соловьеву Виктору Алексеевичу, Семенову Алексею Николаевичу и Мельцеру Борису Яковлевичу — плодотворное взаимодействие с ними позволило выполнить все поставленные в работе задачи.

Моим коллегам — теоретикам Тарасенко Сергею Анатольевичу и Нестоклону Михаилу Олеговичу, чьи глубочайшие и разностороннейшие познания помогли разобраться в физике наблюдаемых явлений.

Торопову Алексею Акимовичу и Кайбышеву Вадиму Халитовичу за постоянный интерес к работе и плодотворное обсуждение результатов.

Моим учителям: Ивченко Еугениюсу Левовичу, Чистякову Владимиру Матвеевичу, Сурису Роберту Арнольдовичу, Троппу Эдуарду Абрамовичу и Малееву Николаю Анатольевичу, а также преподавателям физико-технического факультета СПбГПУ и кафедры ФиТН СПб АУ.

Проректору по высшему образованию СПб АУ НОЦНТ РАН, Жукову Алексею Евгеньевичу, зам. директору центра высшего образования Омельченко Александру Владимировичу за их постоянную поддержку.

Заведующему лабораторией квантоворазмерных гетероструктур ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, Копьеву Петру Сергеевичу, и моим коллегам: Седовой Ирине Владимировне, Будза Алексею Анатольевичу, Лебедеву Антону Валентиновичу, Сорокину Сергею Валерьевичу, Шубиной Татьяне Васильевне, Климко Григорию Викторовичу, Гронину Сергею Вячеславовичу, Беляеву Кириллу Геннадьевичу, Комиссаровой Татьяне Александровне — за поддержку и создание благоприятных условий для работы.