[論文レビュー] Reconciling results of tunnelling experiments on (Ga,Mn)As

T. Dietl, D. Sztenkiel|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2011

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、(Ga,Mn)Asにおける走査トンネル分光法（STS）とトンネル測定の矛盾を解消するために、共振トンネル特徴が(Ga,Mn)Asではなく、GaAs:Be層で形成される二次元ホール準位に起因すると提案している。自己一貫したポアソン-シュレーディンガー計算に基づくモデルは、負のバイアス下での界面付近のホール蓄積によって非単調なコンダクタンス振動を説明し、(Ga,Mn)Asに顕著なMn不純物帯や強い交換スピン分離を必要とせず、矛盾する実験結果を調和させる。

ABSTRACT

A theoretical model is presented which allows to reconcile findings of scanning tunnelling spectroscopy for (Ga,Mn)As [Richardella et al. Science 327, 66 (2010)] with results for tunneling across (Ga,Mn)As thin layers [Ohya et al. Nature Phys. 7, 342 (2011); Phys. Rev. Lett. 104, 167204 (2010)]. According to the proposed model, supported by a self-consistent solution of the Poisson and Schroedinger equations, a nonmonotonic behaviour of differential tunnel conductance as a function of bias is associated with the appearance of two-dimensional hole subbands rather in the GaAs:Be electrode than in the (Ga,Mn)As layer.

研究の動機と目的

• 走査トンネル分光法（STS）と(Ga,Mn)Asヘテロ構造を横切るトンネル測定からの矛盾する実験結果を調和させること。
• STS結果が(Ga,Mn)Asに強い不規則性と不純物帯なしを示すのに対し、トンネルデータが量子化された準位を含む共振トンネルを示すという乖離を解消すること。
• 実験的に観察された非単調な微分コンダクタンスを説明するメカニズムを提示し、(Ga,Mn)Asに顕著な交換スピン分離や支配的不純物帯を必要としないこと。
• 共振特徴が負のバイアス下での界面でのホール蓄積によって引き起こされ、GaAs:Be層に起因することを示すこと。
• トンネル接合における系列抵抗を考慮して、膜厚に依存する共鳴エネルギー位置を定量的に説明すること。

提案手法

• 6バンドk·pモデルを用いて、GaAs:Beおよび(Ga,Mn)Asヘテロ構造内の電子状態を自己一貫したポアソン方程式とシュレーディンガー方程式の解法でシミュレートする。
• GaAs:Be層を低不純物密度および不規則性を有するモジュレーションドープp型半導体としてモデル化し、弱く広がった2次元ホール準位を形成する。
• バイアス電圧関数として微分コンダクタンスd²I/dV²を計算することで、トンネル電流-電圧特性をシミュレートする。
• nextnano³のポアソンソルバーを用いて、特にV < -0.1 Vでホール蓄積の開始が見られる状態におけるバンド湾曲および準位形成を計算する。
• 測定された共鳴電圧V_R(d)を、Au/(Ga,Mn)Asおよび(Ga,Mn)As/AlAs/GaAs:Be接合における系列抵抗を仮定して抵抗-面積（RA）積と関連付ける。
• Ohyaらの実験データ（異なる(Ga,Mn)As膜厚dにおけるもの）と照合することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ走査トンネル分光法実験では(Ga,Mn)Asに不純物帯や強い交換スピン分離の証拠が認められない一方で、トンネル測定では明確な共振特徴が報告されるのか？
• RQ2 (Ga,Mn)As/GaAs:Beヘテロ構造内で、(Ga,Mn)Asに量子化された準位が存在しないとしても、観察された非単調な微分コンダクタンスを説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 負のバイアス下でGaAs:Beに形成される2次元ホール準位の形成が、ヘテロ構造のトンネル特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 なぜトンネルスペクトルの共鳴位置が膜厚に依存するのか？この依存関係をどのように定量的に説明できるか？
• RQ5 測定されたRA積と(Ga,Mn)As膜厚に伴う抵抗変化が、提案された界面準位モデルをどの程度支持するか？

主な発見

• d²I/dV²の非単調な振るまいは、負のバイアス下でGaAs:Beに形成される2次元ホール準位に起因し、(Ga,Mn)Asに起因するものではない。
• GaAs:Beにおけるホール蓄積は約V = -0.1 Vで開始され、V < -0.1 Vで界面付近の2次元準位が顕在化する。
• 最初および2番目のトンネル特徴に対応する計算された共鳴電圧V_R(d)は、異なる(Ga,Mn)As膜厚dにおける実験データと一致する。
• RA積のd依存性は、Au/(Ga,Mn)Asおよび(Ga,Mn)As/AlAs/GaAs:Be接合の抵抗が系列に寄与しており、V_R(d)のスケーリングを説明する。
• モデルは、トンネルスペクトルに顕著な交換スピン分離や不純物帯寄与がないことの説明となり、STS結果と整合する。
• 自己一貫したポアソン-シュレーディンガー解法により、(Ga,Mn)Asの価電子帯が不規則性の影響をほとんど受けず、交換スピン分離も無視できるほど小さいことが確認された、高T_C試料でさえも。