[論文レビュー] Imaging charge and spin diffusion of minority carriers in GaAs

I. Favorskiy, Duong Vu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2010

Quantum and electron transport phenomena参考文献 24被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、室温における3 µm 厚のp+ GaAs膜における電荷およびスピン拡散を、円偏光光励起蛍光顕微鏡を用いてイメージングすることで、接触なしに拡散長を測定することを可能にした。表面再結合が増加するに従い、電荷（L: 21.3 µm から 1.2 µm）およびスピン（L_s: 1.3 µm から 0.8 µm）の拡散長が顕著に短縮される一方で、励起スポットにおける偏光度が10倍に増加した。これは、外部への拡散に起因する。

ABSTRACT

Room temperature electronic diffusion is studied in 3 mum thick epitaxial p+ GaAs lift-off films using a novel circularly polarized photoluminescence microscope. The method is equivalent to using a standard optical microscope and provides a contactless means to measure charge (L) and spin (L_s) diffusion lengths. The measured values of L and L_s are in excellent agreement with the spatially averaged polarization and a sharp reduction in these two quantities (L from 21.3 mum to 1.2 mum and L_s from 1.3 mum to 0.8 mum) is measured with increasing surface recombination. Outwards diffusion results in a factor of 10 increase in the polarization at the excitation spot.

研究の動機と目的

• 室温におけるGaAsにおける少数キャリアの電荷およびスピン拡散を調査すること。
• 電荷（L）およびスピン（L_s）拡散長を測定する接触なしの手法を開発すること。
• 表面再結合がp+ GaAs膜の拡散特性に与える影響を検討すること。
• 空間的に平均化された偏光度と測定された拡散長との相関を調べること。

提案手法

• 円偏光光励起蛍光顕微鏡を用いて、3 µm 厚のエpiタキシャルp+ GaAsリフトオフ膜における少数キャリア拡散をイメージングした。
• 偏光された蛍光を検出することで、接触なしに空間的に分解能のある電荷およびスピン拡散の測定が可能になった。
• 蛍光強度および偏光の空間的減衰から、拡散長L（電荷）およびL_s（スピン）を抽出した。
• 表面再結合速度を変化させ、LおよびL_sへの影響を調査した。同時に、励起スポットにおける偏光度を測定した。
• この手法は、偏光と拡散長との空間的相関に依拠しており、理論的予測と比較することで妥当性が検証された。
• 測定は室温で実施され、スピントロニクスおよびオプトエレクトロニクス応用における実用的意義を有する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面再結合条件が異なるp+ GaAs膜において、電荷およびスピン拡散長（LおよびL_s）はどのように変化するか？
• RQ2 外部への拡散が、励起スポットにおける円偏光度をどの程度向上させるか？
• RQ3 接触なしの光学的手法が、室温におけるGaAsの電荷およびスピン拡散長を正確に測定できるか？
• RQ4 測定された拡散長と空間的に平均化された偏光値との一致度はどの程度か？
• RQ5 表面再結合とLおよびL_sの短縮との間には、定量的な関係があるか？

主な発見

• 表面再結合が増加するに従い、電荷拡散長Lは21.3 µm から 1.2 µm に短縮され、強い再結合依存性が示された。
• 同じ条件下でスピン拡散長L_sは1.3 µm から 0.8 µm に短縮され、表面再結合に対して同程度の感受性を示した。
• スピン偏光キャリアの外部への拡散に起因し、励起スポットにおける円偏光度が10倍に増加した。
• 測定されたLおよびL_sの値は、空間的に平均化された偏光度と非常に良好に一致しており、手法の正確性が裏付けられた。
• 本手法により、室温におけるGaAsにおける電荷およびスピン拡散の接触なしで空間的に分解能のあるイメージングが成功した。
• 本結果は、偏光光励起蛍光顕微鏡を用いた半導体における定量的スピンおよび電荷輸送特性の同定の可能性を示した。