[論文レビュー] Electronic structures and electron spin decoherence in (001)-grown layered zincblende semiconductors

Wayne H. Lau, J. T. Olesberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2004

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、結晶の反転対称性破れと立方対称性の両方を考慮した、(001)面成長の亜鉛鉛鉛量子井戸における電子スピンデコherence時間の非摂動的14バンドK·p理論を提示する。摂動的モデル（例：D’yakonov-Kachorovskii (DK)理論）は、狭い井戸および室温条件下で不成立であることが示され、本理論はGaAs/AlGaAs、InGaAs/InP、GaSb/AlSb、CdZnSe/ZnSe、およびInGaAs/GaAs系において、実験的T₁およびT₂値と定量的に一致する。

ABSTRACT

Electronic structure calculations for layered zincblende semiconductors are described within a restricted basis formalism which naturally and non-perturbatively accomodates both crystalline inversion asymmetry and cubic anisotropy. These calculations are applied to calculate the electron spin decoherence times $T_1$ and $T_2$ due to precessional decoherence in quantum wells. Distinctly different dependences of spin coherence times on mobility, quantization energy, and temperature are found from perturbative calculations. Quantitative agreement between these calculations and experiments is found for GaAs/AlGaAs, InGaAs/InP, and GaSb/AlSb $(001)$-grown quantum wells. The electron spin coherence times for CdZnSe/ZnSe II-VI quantum wells are calculated, and calculations of InGaAs/GaAs quantum wells appropiate for comparison with spin-LED structures are also presented.

研究の動機と目的

• 非摂動的電子状態理論を構築し、(001)面成長の亜鉛鉛鉛半導体におけるスピン軌道結合および異方性を正確に捉えること。
• 量子井戸におけるT₁およびT₂の実験的測定値と摂動的スピンデコherence理論（例：DK理論）との長年の不一致を解消すること。
• 波動関数の障壁領域への浸透および非摂動的効果がスピン緩和メカニズムに与える寄与を定量化すること。
• CdZnSe/ZnSeやInGaAs/GaAsなどの新規スピントロニクス材料におけるスピンコherence時間の正確な予測を提供すること。
• 室温および狭い井戸といった現実的条件下で、D’yakonov-Kachorovskii (DK)近似の限界を特定すること。

提案手法

• 亜鉛鉛鉛半導体におけるスピン軌道結合および立方異方性を非摂動的に組み込むために、制限された基底セットを用いた14バンドK·p形式を採用する。
• 全ハミルトニアンを空間的に依存するエンveロープ関数の基底に射影し、フーリエ空間で解く連立微分方程式系を導出する。
• 逆対称性の欠如に起因する伝導帯のスピン分離から、運動量に依存する有効磁場を計算する。
• 全バンド構造依存のスピン進化ダイナミクスに基づき、スピン密度行列方程式を解き、T₁およびT₂を導出する。
• 摂動的DK理論およびD’yakonov-Perel’理論と比較することで、近似の破綻条件を同定する。
• 数値シミュレーションを用いて、行列要素Ω̃ₓ₁²(1,E)およびΩ̃ₓ₃²(1,E)のエネルギー依存性を分析し、高エネルギー域で線形性から逸脱することを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ摂動的モデル（例：D’yakonov-Kachorovskii (DK)理論）は、(001)面成長量子井戸における実験的電子スピンデコherence時間を定量的に再現できないのか？
• RQ2 非摂動的効果および波動関数の障壁領域への浸透は、T₁およびT₂のデコherence時間にどのように影響を与えるか？
• RQ3 DK近似の有効範囲は、井戸幅、温度、閉じ込めエネルギーの観点からどの程度か？
• RQ4 移動度および散乱メカニズムは、異なる量子井戸系におけるT₁にどのように影響を及ぼすか？また、DK理論が移動度に依存しないと予測するのに対し、実際にはどう異なるか？
• RQ5 高次行列要素（例：Ω̃ₓ₃²(1,E)）は、広いまたは狭い井戸においてスピンデコherenceにどの程度寄与するか？

主な発見

• 非摂動的14バンドK·p理論は、GaAs/AlGaAs、InGaAs/InP、およびGaSb/AlSb量子井戸において、実験的T₁およびT₂値と定量的に一致する。
• DK理論はT₁ ∝ 1/μの依存性を予測するが、これは散乱メカニズムに依存しない。しかし実験ではそのような依存性は確認されず、本理論では非摂動的効果に起因する移動度依存性が示される。
• 狭い井戸および室温条件下では、摂動的仮定Ω̃ₓ₁²(1,E) ∝ Eが破綻し、E ≈ kBTを超えると顕著な逸脱が観察される。
• 広い井戸では、Ω̃ₓ₃²(1,E)の寄与がΩ̃ₓ₁²(1,E)と同等にまで達し、DK理論が最初の項のみが重要であると仮定する前提が無効になる。
• 型IIのInAs/GaSbスーパーラティスでは、行列要素が摂動的形で記述できない非線形性を示し、DKモデルの破綻を示している。
• 理論は、障壁領域（減衰波）におけるスピン分離の符号が井戸領域（伝搬波）と逆であることが、デコherenceの低減に寄与することを特定し、DK理論が予測する閉じ込めエネルギー依存性よりもT₁の依存性が弱い理由を説明している。