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
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
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:
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.
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