Спин-зависимые магнитооптические и фотогальванические явления в гетероструктурах на основе InAs
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… Читать ещё >
Содержание
- Список сокращений
- Глава 1. Литературный обзор
- 1. 1. Перспективы применения гетероструктур на основе ГпАя в спинтронике
- 1. 2. Фотолюминесцентные свойства ультратонких вставок 1п8Ь в матрице 1пАб
- 1. 3. Магнитоиндуцированный фотогальванический эффект
- 1. 4. Гигантский эффект Зеемана в И-VI разбавленных магнитных полупроводниках
- 1. 5. Модель Пиджена-Брауна
- 1. 6. Правила отбора оптических переходов
- Глава 2. Эффект Зеемана в гетероструктурах типа II
- 1. П8Ь/1ПА
- 2. 1. Описание исследованных образцов
- 2. 2. Экспериментальная методика
- 2. 3. Основные экспериментальные результаты
- 2. 4. Расчет энергетического спектра носителей заряда в гетероструктуре 1п8Ь/1пА
- 2. 5. Определение-фактора тяжелых дырок в квантовой яме Ь^МпАв
- 2. 6. Определение относительной силы осциллятора оптических переходов в квантовой яме 1п8Ь/1пА
- 1. П8Ь/1ПА
- 3. 1. Описание исследованных образцов
- 3. 2. Экспериментальная методика
- 3. 3. Основные экспериментальные результаты
- 3. 4. Расчет энергетического спектра носителей заряда в гетеровалентной квантовой яме А18Ь/1пА8/2п (Мп)Те
- 3. 5. Аппроксимация зависимости фототока от температуры
- 4. 1. Описание исследованных образцов
- 4. 2. Экспериментальная методика
- 4. 3. Основные экспериментальные результаты
- 4. 3. 1. Магнитофотолюминесценция эпитаксиального слоя объемного 1пА
- 4. 3. 2. Магнитофотолюминесценция диодной структуры на основе 1пАб
- 4. 4. Расчет уровней Ландау объемного ГпАб в рамках модели Пиджена-Брауна
- 4. 5. Влияние электрического поля на спектр фотолюминесценции
Список сокращений
Обозначение Расшифровка
МС Монослой мпэ Молекулярно-пучковая эпитаксия ик Инфракрасный кя Квантовая яма эВ Электрон-вольт мэВ миллиэлектрон-вольт
ФЛ Фотолюминесценция
ПЗС Прибор с зарядовой связью
ДБЭ Дифракция быстрых электронов
D-A Донорно-акцепторый
D-h Донор-дырка
FWHM Ширина на полувысоте (full width at half maximum) hh Тяжелая дырка (heavy hole) lh Легкая дырка (light hole)
Список литературы
- D. Awschalom, and M. Kaminska, Spintronics in Semiconductors and Semimetals series, edited by, T. Dietl — Academic, London, 2008.
- Б.П. Захарченя, Ф. Мейер, Оптическая ориентация Наука, Л., 1989.
- R.R. Parsons, Band-to-band optical pumping in solids and polarized photoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1969 — V. 23 — P. 1152.
- Б.П. Захарченя, В. Г. Флейшер, Р. И. Джиоев, Эффект оптической ориентации электронных спинов в кристалле GaAs // Письма в ЖЭТФ -1971 -Т. 13-С. 195.
- М.И. Дьяконов, В. И. Перель, Оптическая ориентация в системе электронов и ядер решетки в полупроводниках // Письма в ЖЭТФ -1973 -Т. 65-С. 362.
- С. Hermann, G. Lampel, Measurement of the g-factor of conduction electrons by optical detection of spin resonance in p-type semiconductors // Phys. Rev. Lett. 1971 -V. 27-P. 373.
- D.T. Pierce, F. Meier, and P. Zurcher, Negative electron affinity GaAs: A new source of spin-polarized electrons // Appl. Phys. Lett. -1975 V. 26 -P. 670.
- В.Л. Альперович, В. П. Белиничер, B.H. Новиков, А. С. Терехов, Поверхностный фотогальванический эффект в арсениде галлия // Письма в ЖЭТФ 1980 — Т.31 — С. 581.
- S.A. Croolcer, J.J. Baumberg, F. Flack, N. Samarth, and D.D. Awschalom, Terahertz spin precession and coherent transfer of angular momenta in magnetic quantum wells // Phys. Rev. Lett. 1996 — V. 77 — P. 2814.
- R.S. Britton, T. Grevatt, A. Malinowski, R.T. Harley, P. Perozzo, A.R. Cameron, and A. Miller, Room temperature spin relaxation in GaAs/AlGaAs multiple quantum wells // Appl. Phys. Lett. 1998 — V. 73 — P. 2140.
- R. Winkler, Spin-Orbit Coupling Effects in Two-Dimensional Electron and Hole Systems, volume 191 of Springer Tracts in Modern Physics Springer, Berlin, 2003.
- C.R. Pidgeon, D.I. Mitchell, and R.N. Brown, Interband magnetoabsorption in InAs and InSb // Phys. Rev. 1967 — V. 154 — P. 737.
- T. Akazaki, H. Takayanagi, J. Nitta, and T. Enoki, A Josephson field effect transistor using an InAs-inserted-channel Ino.52Alo.48As/Ino.53Gao.47As inverted modulation-doped structure // Appl. Phys. Lett. 1996 — V. 68 -P. 418.
- H. Kroemer, The 6.1 A family (InAs, GaSb, AlSb) and its heterostructures: a selective review // Physica E 2004 — V. 20 — P. 196.
- J.R. Meyer, C.A. Hoffman, F.J. Bartoli, and L.R. Ram-Mohan, Type-II quantum-well lasers for the mid-wavelength infrared // Appl. Phys. Lett. -1995-V. 67-P. 757.
- I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma, Fundamentals and applications // Rev. Mod. Phys. 2004 — V. 76 — P. 323.
- R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag, and L.W. Molenlcamp, Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode // Nature 1999 — V. 402 — P. 787.
- Y. Ohno, D.K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno, and D.D. Awschalom, Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure // Nature 1999 — V. 402 — P. 790.
- Y. Nishitani, D. Chiba, M. Endo, M. Sawicki, F. Matsukura, T. Dietl, and H. Ohno, Curie temperature versus hole concentration in field-effect structures ofGaxMnj. xAs //Phys. Rev. B-2010-V. 81 -P. 45 208.
- H.J. Zhu, M. Ramsteiner, H. Kostial, M. Wassermeier, H.P. Sch’onherr, and K.H. Ploog, Room-Temperature Spin Injection from Fe into GaAs // Phys. Rev. Lett.-2001 -V. 87-P. 16 601.
- J.K. Furdyna, Diluted magnetic semiconductors // J. Appl. Phys. 1988 -V. 64 — P. R29.
- M. Wang, R. P. Campion, A. W. Rushforth, K. W. Edmonds, C. T. Foxon, and B. L. Gallagher, Achieving high Curie temperature in (Ga, Mn) As // Appl. Phys. Lett. -2008 -V. 93 P. 132 103.
- F. Hatami, M. Grundmann, N.N. Ledentsov, F. Heinrichsdorff, R. Heitz, J. Bohrer, D. Bimberg, S.S. Ruvimov, P. Werner, V.M. Ustinov, P. S. Kop’ev, and Z.I. Alferov, Carrier dynamics in type-II GaSb/GaAs quantum dots // Phys. Rev. B 1998 -V. 57 -P. 4635.
- M.I. Dyakonov, Spin Physics in Semiconductors- Springer, Berlin, 2009.
- S. Datta and B. Das, Electronic analog of the electrooptic modulator // Appl. Phys. Lett. 1990 — V. 56 — P. 665.
- E.I. Rashba and A.L. Efros, Efficient electron spin manipulation in a quantum well by an in-plane electric field // Appl. Phys. Lett. 2003 — V. 83 -P. 5295.
- U. Wurstbauer, M. Soda, R. Jakiela, D. Schuh, D. Weiss, J. Zweck, and W. Wegscheider, Coexistence of ferromagnetism and quantum Hall effect in Mn modulation-doped two-dimensional hole systems // J. Cryst. Growth -2009-V. 311 P. 2160.
- C.J. Meining, K.A. Korolev, B.D. McCombe, P. Grabs, I. Chado, G. Schmidt, and L.W. Molenkamp, Spin polarization measurements of InAs-based LEDs // J. Supercond. 2005 — V. 18 — P. 391.
- C.J. Meining, A.V. Stier, B.D. McCombe, I. Chado, P. Grabs, G. Schmidt, and L.W. Molenkamp, Spin injection and circular polarized electroluminescence from InAs-based spin-light emitting diode structures // J. Appl. Phys.-2010-V. 107-P. 114 510.
- H. Ohno, K. Yoh, K. Sueoka, K. Mulcasa, A. Kawaharazuka, and M.E. Ramsteiner, Spin-polarized electron injection through an Fe/InAs junction // Jap. J. Appl. Phys. 2003 — V. 42 — P. L87.
- Я.В. Терентьев, О. Г. Люблинская, A.A. Торопов, Б .Я. Мельцер, А. Н. Семенов, В. А. Соловьев, С. В. Иванов, Аномальное спиновое расщепление электронов в квантовых точках II типа InSb в матрице InAs // ФТП 2009 — Т. 43 — В. 5 — С. 662.
- Y. Lacroix, С.А. Tran, S.P. Watkins, and M.L. Thewalt. Low-temperature photoluminescence of epitaxial InAs // J. Appl. Phys. 1996 — V. 80 -P. 11.
- R.H. Silsbee, Spin-orbit induced coupling of charge current and spin polarization // J. Phys.: Condens. Matter 2004 — V. 16 — P. R179.
- A.M. Bratkovsky, Spintronic effects in metallic, semiconductor, metal-oxide and metal-semiconductor heterostructures // Rep. Prog. Phys. 2008 -V. 71 — P. 26 502.
- А.Г. Аронов, Т. Е. Пикус, Спиновая инжекция в полупроводниках // ФТП 1976-Т. 10-С. 1177.
- E.L. Ivchenlco, Optical Spectroscopy of Semiconductor Nanostructures -Alpha Science Int., Harrow, 2005.
- S.D. Ganichev and W. Prettl, Spin photocurrents in quantum wells // J. Phys.: Condens. Matter 2003 — V. 15 — P. R935.
- S.D. Ganichev, E.L. Ivchenlco, S.N. Danilov, J. Eroms, W. Wegscheider, D. Weiss, and W. Prettl, Conversion of spin into directed electric current in quantum wells // Phys. Rev. Lett. 2001 — V. 86 — P. 4358.
- Б.И. Стурман, B.M. Фредкин. Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления Наука, М., 1992.
- E.L. Ivchenlco, S.A. Tarasenko, Pure spin photocurrents // Semicond. Sci. Technol. 2008 — V. 23 — P. 114 007.
- E.JI. Ивченко, Г. Е. Пнкуе, Оптическая ориентация спинов свободных носителей и фотогальванические эффекты в гиротропных кристаллах // Изв. Акад. наук СССР, физ. сер. 1983 — Т. 47 — С. 2369.
- А.А. Горбацевич, В. В. Капаев, Ю. В. Копаев, Ассиметричные наноструктуры в магнитном поле // Письма в ЖЭТФ 1993 — V. 57 -Р. 565.
- О.В. Кибис, Новые эффекты электрон-фононного взаимодействия в квазидвумерных кристаллах в магнитном поле // Письма в ЖЭТФ -1999-V. 115-Р. 959.
- S.D. Ganichev, V.V. Bel’kov, S.A. Tarasenko, S.N. Danilov, S. Giglberger, Ch. Hoffmann, E.L. Ivchenlco, D. Weiss, W. Wegscheider, C. Gerl,
- D. Schuh, J. Stahl, J. De Boeck, G. Borghs, and W. Prettl, Zero-bias spin separation // Nature Phys. 2006 — V. 2 — P. 609.
- S.D. Ganichev, S.N. Danilov, V.V. Bel’kov, S. Giglberger, S.A. Tarasenko,
- E.L. Ivchenlco, D. Weiss, W. Jantsch, F. Schaffler, D. Gruber, W. Prettl, Pure spin currents induced by spin-dependent scattering processes in SiGe quantum well structures // Phys. Rev. В 2007 — V. 75 — P. 155 317.
- J.A. Gaj, R. Panel, and G. Fishman, Relation of magneto-optical properties of free excitons to spin alignment of Mn ions in Cdi~xMnxTe // Solid State Comm. 1979 — V. 29 — P. 435.
- W. Nolting, Statistische Physik, volume 6 of Grundkurs: Theoretische Physik. Zimmermann-Neufang, Ulmen, 1994.
- R.L. Aggarwal, S.N. Jasperson, P. Beda, and R.R. Galazlca, Optical determination of the antiferromagnetic exchange constant between nearest-neighbor Mn2+ ions in Cdo.95Mno.05Te // Phys. Rev. B 1985 — V. 32 -P. 5132−5137.
- J.R. Chelikowslcy and M.L. Cohen, Nonlocal pseudopotential calculations for the electron structure of eleven diamond and zinc-blende semiconductors //Phys. Rev. B-1976-V. 14-V. 556.
- J.C. Slater and G.F. Koster, Simplified LCAO Method for the Periodic Potential Problem // Phys. Rev. 1954 — V. 94 — P. 1498.
- J.M. Jancu, R. Scholz, F. Beltram, and F. Bassani, Empirical spds* tight-binding calculation for cubic semiconductors: General method and material parameters // Phys. Rev. B 1998 — V. 57 — P. 6493.
- E.O. Kane, The k •p method, in R.K. Wilardson and A.C. Beer, editors, Physics of III-V Compounds, volume 1 of Semiconductors and Semimetals Academic Press, New York, 1966.
- W. Nolting, Quantenmechanik, Teil 2: Methoden und Anwendungen, volume 5 of Grundkurs: Theoretische Physik. Zimmermann-Neufang, Ulmen, 1994.
- R. Winkler, Spin-Orbit Coupling Effects in Two-Dimensional Electron and Hole Systems, volume 191 of Springer Tracts in Modern Physics Springer, Berlin, 2003.
- S.L. Chuang, Physics of Optoelectronic Devices Wiley Interscience, 1995.
- C.R. Pidgeon and R.N. Brown, Interband magneto-absorption and faraday rotation in InSb // Phys. Rev. 1966 — V. 146 — P. 575.
- W. Leung and L. Liu, Magnetic subband structure of Sn // Phys. Rev. B -1973 -V. 8-P. 3811.
- N.W. Ashcroft and N.D. Mermin // Solid State Physics Saunders College Publishing, New York, 1976.
- H. Luo and J.K. Furdyna, Optical transitions in semiconductor superlattices with zince-blend structure in the k • p approximation // Phys. Rev. B 1990 -V. 41-P. 5188.
- S.V. Ivanov, A.N. Semenov, V.A. Solov’ev, O.G. Lyublinskaya, Ya.V. Terent’ev, B.Ya. Meltser, Molecular beam epitaxy of type II InSb/InAs nanostmctures with InSb sub-monolayers // Elsivier Science 2003.
- E.L. Ivchenko and G.E. Pikus, Superlattices and Other Heterostructures. Symmetry and Optical Phenomena Springer, Berlin, 1995.
- J.M. Jancu and P. Voisin, Tetragonal and trigonal deformations in zinc-blende semiconductors: A tight-binding point of view // Phys. Rev. B 2007 -V. 76-P. 115 202.
- Y. Yafet, R. Keyes, and E. Adams, Hydrogen atom in a strong magnetic field//J. Phys. Chem. of Solids 1956-V. 1 — P. 137.
- T.B. Львова, И. В. Седова, M.C. Дунаевский, А. Н. Карпенко, В. П. Улин, С. В. Иванов, В. Л. Берковец, Сульфидная пассивация подложек InAs (100) в растворах Na2S // ФТТ 2009 — Т. 51 — В. 6 — С. 1055−1061.
- Th. Gleim, L. Weinhardt, Th. Schmidt, R. Fink, C. Heske, E. Umbach, P. Grabs, G. Schmidt, L.W. Molenkamp, B. Richter, A. Fleszar, and H.P. Steinru’ck // Appl. Phys. Lett. 2002 — V. 81 — P. 3813.
- Д.В. Сивухин, Общий курс физики, Т. III. Электричество Мир, Москва, 1998.
- Т. Андо, А. Фаулер, Ф. Стерн, Электронные свойства двумерных систем. Пер. с англ. Мир, Москва, 1985.
- Л.Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Квантовая механика (нерелятивистская теория), Издание 4-е. — Наука, М., 1989.
- Olver, Asymptotics and Special Functions Academic Press, New York, 1974.
- R.L. Aggarwal, Semiconductor and semimetals. In Modulation Techniques, ed. PK Willardson, AC Beer Academic, New York, 1974.
- J.M. Luttinger and W. Kohn // Phys. Rev. 1955 — V. 97 — P. 869.
- S.D. Ganichev, S.A. Tarasenko, V.V. Bel’kov, P. Olbrich, W. Eder, D.R. Yakovlev, V. Kolkovsky, W. Zaleszczyk, G. Karczewslci, T. Wojtowicz and D. Weiss, Spin Currents in Diluted Magnetic Semiconductors // Phys. Rev. Lett. 2009 — V. 102 — P. 156 602.
- G. Prechtl, W. Heiss, A. Bonanni, W. Jantsch, S. Maclcowslci, and E. Janilc, Magnetization and spin distribution of single sub-monolayers of MnTe in semiconductor quantum wells // Phys. Rev. В 2003 — V. 68 — P. 165 313.
- A. Twardovski, P. Swiderslci, M.V. Ortenberg, and R. Pauthenet, Magnetoabsorption and magnetization of ZnixMnxTe mixed cristals // Solid State Commun. 1984 — V. 50 — P. 509.
- Я.В. Терентьев, О. Г. Люблинская, А. А. Усикова, А. А. Торопов, В.A. Соловьев и С. В. Иванов, Сильная спиновая поляризация электронов в диодной структуре на основе InAs // ФТП 2007 — Т. 41 — В. 11 -Р. 1309.
- Vurgaftman, J.R. Meyer, and L.R. Ram-Mohan, Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys. 2001 -V. 89-P. 5815.
- Y. Yafet, R. Keyes, and E. Adams, Hydrogen atom in a strong magnetic field//J. Phys. Chem. of Solids 1956-V. 1 -P. 137.
- В.И. Перель, Г. Г. Зегря, Основы физики полупроводников -Физматлит, М., 2009.
- JI.E. Воробьев, С. Н. Данилов, Г. Г. Зегря, Д. А. Фирсов, В. А. Шалыгин, И. Н. Яссиевич, Е. В. Берегулин, Фотоэлектрические явления в полупроводниках и размерно-квантованных структурах Наука, С. Петербург, 2001.
- G. Bastard, Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures -Halsted Press, N.Y., 1988.
- C.A. Tarasenko, E.L. Ivchenko, Pure spin photocurrents in low-dimensional structures // Technical Physics Letters 2005 — V. 81 — P. 292.
- Ю.А. Лещенко, И. Д. Ворона, С. П. Гришечкина, В. В. Капаев, Ю. В. Копаев, И. В. Кучеренко, В. И. Кадушхин, С. И. Фомичев, Индуцированный магнитным полем фотогальванический эффект в ассиметричной системе квантовых ям // Письма в ЖЭТФ 1993 — Т. 58 -С. 377.
- Л.И. Магарилл, Фотогальванический эффект в двумерных системах в параллельном магнитном поле // ФТТ 1990 — Т. 32 — С. 3558.
- А.П. Дмитриев, С. А. Емельянов, C.B. Иванов, П. С. Копьев, Я. В. Терентьев, И. Д. Ярошецкий, Гигантский фототок в двумерных структурах в магнитном поле параллельном 2D слою // Письма в ЖЭТФ 1993 — Т. 54 — С. 279.
- E.Z. Meilikhov and R.M. Farzetdinova // JETP 2010 — V. 110 — P. 794.
- P.J. Carrington, V.A. Solov’ev, Q. Zhuang, A. Krier, and S.V. Ivanov, Room temperature midinfrared electroluminescence from InSb/InAs quantum dot light emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2008 — V. 93 -P. 91 101.
- W. Ruhle and W. Klingenstein // Phys. Rev. В 1978 -V. 18 — P. 7011.
- J.S. Blalcemore, Semiconductor statistics Dover, N.Y., 1987.
- C.M. Зи, Физика полупроводниковых приборов, том 1 Мир, М., 1984.
- D.D. Awschalom, D. Loss, and N. Samarth, Semiconductor spintronics and quantum computation, volume 5 of Nanoscience and Technology -Springer, Berlin, 2002.
- S. Datta and B. Das, Electronic analog of the electrooptic modulator // Appl. Phys. Lett. 1990 — V. 56 — P. 665.
- E.I. Rashba and A.L. Efros, Orbital mechanisms of electron-spin manipulation by an electric field // Phys. Rev. Lett. 2003 — V. 91 -P. 126 405.
- Э. Розеншер, Б. Винтер, Оптоэлектроника Техносфера, Москва, 2006.
- Я.В. Терентьев, О. Г. Люблинская, А. А. Усикова, А. А. Торопов, В. А. Соловьев и С. В. Иванов, Сильная спиновая поляризация электронов в диодной структуре на основе InAs // ФТП 2007 — Т. 41 — В. 11 -Р. 1309.
- M.I. Dyakonov, A.L. Efros, D.L. Mitchell, Magnetic Freeze-Out of Electrons in Extrinsic Semiconductors // Phys. Rev. 1968 — V. 180 — P. 813.
- М.И. Дьяконов, В. И. Перель, О возможности оптической ориентации равновесных электронов в полупроводниках // Письма в ЖЭТФ 1971 -V. 13-Р. 206.
- Основные работы, включенные в диссертацию
- M.S. Mukhin, Ya.V. Terent’ev, L.E. Golub, M.O. Nestoklon, B.Ya. Meltser, A.N. Semenov, V.A. Solov’ev, A.A. Toropov, and S.V. Ivanov, Electron spin alignment in InSb type II quantum dots in an InAs matrix // AIP Conf. Proc. 2011 — V. 1416 — P. 34−37.