СПИНОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ (научно-популярная презентация) Данилов Ю.А. Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского

Основной принцип работы ССИД В основе работы спинового светоизлучающего диода (ССИД) лежит явление формирования циркулярно- поляризованного 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-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 m j = –1/2) возможен переход в состояние m j = –3/2 в валентной зоне с образованием фотона со спином S ph = 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 + (m j = +1/2) возможен переход в состояние m j = –1/2 с образованием фото- на с S ph = 1 (также σ + поляризация), и интенсивность этого перехода равна 1. Для электронов n – (m j = –1/2) возможен переход в состояние m j = +1/2 с образованием фотона с S ph = –1 (поляризация σ – ); интенсивность этого перехода равна 1. Для электронов n + (m j = +1/2) возможен переход в состояние m j = +3/2 с образованием фотона с S ph = –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 (П inj ) и оптической (П СР ) поляризациями: 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 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 In 1-x Ga x As/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:

Геометрия включения спиновых светоизлучающих диодов Схематическое представление спинового СИД при использовании (а) геометрии Фарадея, (b) геометрии Фойхта.

Дизайн спиновых светодиодов 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 спин- ориентированных электронов, а также проводящую подложку и базовый омический контакт Степень циркулярной поляризации излучения

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 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 V.40.- P.R179-R Anisotropic electrical spin injection in ferromagnetic semiconductor heterostructures / D.K. Young, E. Johnston-Halperin, D.D. Awschalom, Y. Ohno, H. Ohno // Appl. Phys. Lett. – – V.80. – P Оптическая ориентация / Ред. Б.П. Захарченя, Ф.Майер. - Л.: Наука, с. 4.Semiconductor Spintronics and Quantum Computation / Ed. by D.D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth. Berlin: Springer, 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, 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 (А 3,Mn)B 5 или полуметаллического соединения MnB 5 ; 3) с дельта -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 -легированными GaAs слоями

Структуры с дельта -легированным GaAs слоем 13 Формирование: комбинированная методика МОС-гидридной эпитаксии и лазерного нанесения Структура обладает ферромагнитными свойствами Аномальный эффект Холла при Т 35 К I RHRH H

Для геометрии Фарадея (эмиссия регистрируется с базовой стороны структуры) электролюминесценция циркулярно поляризована в магнитном поле Степень циркулярной поляризации ЭЛ ( P C ) зависит от количества (Q Mn ) атомов Mn atoms в дельта -слое и от толщины (d s ) спейсера между КЯ и дельта -слоем. Наибольшее значение P C ( 50%) было достигнуто при d s = 3 нм и Q Mn 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 – Т.32, в С 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. – – V.41, n.4. – P Emission properties of InGaAs/GaAs heterostructures with delta -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. – V P Manganese Distribution and Galvanomagnetic Properties of Delta -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. – – V.1, n.1. – P

Презентация создана при выполнении гранта 14.В «Создание эффективных светоизлучающих диодов расширенной функциональности» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на гг. (мероприятие 1.2.2)