[論文レビュー] Room temperature Giant Spin-dependent Photoconductivity in dilute nitride semiconductors

Fan Zhao, A. Balocchi+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2009

Quantum and electron transport phenomena参考文献 19被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、光学的スピン注入と輸送分光法を用いて、非磁性のガリウム砒素窒化ガリウム（GaAsN）希薄窒化物半導体で室温で最大40%の巨大なスピン依存光伝導度（室温で40%に達する）を実証した。この効果は、窒素に起因する深さのパラ磁性中心における伝導帯電子のスピン依存再結合に起因し、外部磁場や鉄磁性層を用いずに、電気的検出およびスピンのフィルタリングが可能である。

ABSTRACT

By combining optical spin injection techniques with transport spectroscopy tools, we demonstrate a spin-photodetector allowing for the electrical measurement and active filtering of conduction band electron spin at room temperature in a non-magnetic GaAsN semiconductor structure. By switching the polarization of the incident light from linear to circular, we observe a Giant Spin-dependent Photoconductivity (GSP) reaching up to 40 % without the need of an external magnetic field. We show that the GSP is due to a very efficient spin filtering effect of conduction band electrons on Nitrogen-induced Ga self-interstitial deep paramagnetic centers.

研究の動機と目的

• 外部磁場や鉄磁性層を必要とせず、室温で動作するシンプルな、すべて半導体のスピン光検出器の開発を目的とする。
• 右回りまたは左回りの円偏光光による光学励起を通じて、伝導帯電子のスピンの電気的検出と能動的フィルタリングを実証することを目的とする。
• GaAsNにおけるNに起因する深さのパラ磁性中心が、スピン依存再結合（SDR）およびスピンフィルタリングを可能にする役割を解明することを目的とする。
• スピン依存再結合ダイナミクスに基づく、室温で電力スイッチ可能なスピン光検出メカニズムを確立することを目的とする。
• 希薄窒化物半導体を用いて、非磁性電極でスピン偏極電流を生成および検出する可能性を検証することを目的とする。

提案手法

• 半導体インスレーティング基板上に、50 nmのシリコンドーピング（n = 2×10¹⁸ cm⁻³）および100 nmの未ドーピングGaAs₀.₉₇₉N₀.₀₂₁薄膜を分子線エpitaxy法で成長させた。
• 840 nmの1.5 psパルスを発生するモードロックTi:Saレーザーを用い、偏光状態（円偏光または線形偏光）を可変にすることで、伝導帯にスピン偏極電子を光学的に注入した。
• 10 kΩの負荷抵抗を接続したロックインアンプを用いて光伝導度を測定し、2本の銀電極（0.8 mm間隔）間に印加電圧をかけて電流変化を検出した。
• 回転する1/4波長板を用いてレーザーの偏光状態を連続的に変調し、その結果として得られるスピン依存光伝導度（SDP）応答を測定した。
• SDPの角度依存性をマルサス則型モデルでフィッティングした：Δσ(θ)/σ = (Δσ/σ)·sin²(2θ)。この結果は、スピン注入の偏光依存性を確認した。
• 励起強度および印加電圧を系統的に変化させ、SDP効果の強度依存性および電圧依存性を調べ、移動度に基づくメカニズムとは区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を必要とせず、非磁性半導体で室温でスピン依存光伝導度を達成できるか？
• RQ2 観測された巨大なスピン依存伝導度変化の原因は何か？これはスピン依存再結合によるものか、移動度効果によるものか？
• RQ3 入射光の円偏光度が、GaAsN構造の電気的応答にどのように影響するか？
• RQ4 印加バイアス下で、GaAsN構造が電気的に注入されたキャリアのスピンフィルタとしてどの程度機能できるか？
• RQ5 励起強度および印加電圧を変化させることで、スピンフィルタリングおよび光伝導度応答を調整可能か？

主な発見

• 室温で最大40%の巨大なスピン依存光伝導度（SDP）変化がGaAsNで観測され、Δσ/σ = (σ⁺ − σˣ)/σˣ と表される。
• SDP効果は、スピン依存再結合（SDR）によるものであり、スピン依存移動度とは異なる。
• SDP応答はマルサス則型の角度依存性を示す：Δσ(θ)/σ = (Δσ/σ)·sin²(2θ)。これは、光学的偏光依存性によるスピン注入の確認を示している。
• 低励起強度（≤200 W·cm⁻²）では、SDP効果が消える。これは、深さの中心の有効な偏極に、キャリア密度が中心密度と同等以上である必要があることを示している。
• 高励起強度（>500 W·cm⁻²）では、キャリア密度が深さの中心密度を上回るため、SDR効率が低下し、SDPがわずかに減少する。
• 印加電圧が増加する（V ≥ 5 V）とSDPが減少する。これは、電気的に注入された偏極のないキャリアが、有効なスピンフィルタリング効率を低下させることを示しているが、低電圧では依然として顕著な40%のSDPが観測された。