СПИНОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ( научно-популярная презентация)

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

2. 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.

3. 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 GaAsпри 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-нияσ+) 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 (поляризацияσ–); 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 (поляризацияσ–) 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.

4. Основные соотношения С учетом относительных вероятностей переходов следующее уравнение дает соотношение между спиновой (Пinj) и оптической (ПСР) 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.

5. 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 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:

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

7. 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

8. 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.

9. Потенциальные применения ССИД Спиновые светодиоды могут служить для реализации поляризационного способа кодирования информации, передаваемой по оптическим линиям связи. 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.

10. Список рекомендуемой литературы: • Golub, M. Spin-polarized light-emitting diodes and lasers/ M. Golub, P. Bhattacharya // J. Phys. D: Appl. Phys. -2007. V.40.- P.R179-R203. • 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. • Оптическая ориентация / Ред. Б.П. Захарченя, Ф.Майер. - Л.: Наука, 1989. - 408 с. • Semiconductor Spintronics and Quantum Computation / Ed. by D.D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth. Berlin: Springer, 2002. - 311 p. • 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.

11. 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

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

14. 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 междуКЯидельта<Mn>-слоем. Наибольшее значение PC (≈ 50%)было достигнуто при ds = 3 нми QMn ≈ 0.3 монослоя.

15. Инжекция спин-поляризованных носителей из ферромагнитного металла

16. 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.

17. 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)