[論文レビュー] Spin injection in the non-linear regime: band bending effects

G. Schmidt, C. Gould+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2002

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、非線形バイアス条件下における希薄磁性半導体（DMS）におけるスピン注入を調査し、DMS/NMS界面におけるバンド曲げおよび電荷蓄積がスピン注入効率を著しく低下させることを示している。著者らは電荷不均衡モデルに静電的効果を組み込み、わずか数mVの電圧印加でも、少数スピン状態の再分布によってスピン偏極が2桁低下することを示した。

ABSTRACT

Semiconductor spintronics will need to control spin injection phenomena in the non-linear regime. In order to study these effects we have performed spin injection measurements from a dilute magnetic semiconductor [(Zn,Be,Mn)Se] into nonmagnetic (Zn,Be)Se at elevated bias. When the applied voltage is increased to a few mV we find a strong decrease of the spin injection efficiency. The observed behavior is modelled by extending the charge-imbalance model for spin injection to include band bending and charge accumulation at the interface of the two compounds. We find that the observed effects can be attributed to repopulation of the minority spin level in the magnetic semiconductor.

研究の動機と目的

• 半導体スピンエレクトロニクスヘテロ構造における線形応答領域を超えたスピン注入挙動を理解すること。
• 有限バイアス下におけるバンド曲げおよび界面での電荷蓄積がスピン注入効率を低下させる役割を特定すること。
• 非線形輸送において静電的スクリーニングおよび界面ポテンシャルの変化を考慮する自己無撞撃的モデルを構築すること。
• バンド曲げ効果とドリフト誘発メカニズムのスピン偏極抑制における役割を区別すること。
• 今後のスピンエレクトロニクスデバイスの動作電圧制限に及ぼすこれらの効果の意味を評価すること。

提案手法

• 高品質スピン注入を可能にする精密なドーピング制御を施した分子線エpitaxy法で成長された (Zn,Be,Mn)Se/(Zn,Be)Se ヘテロ構造を用いる。
• 1.6–6 K の温度範囲で磁気冷却器を用い、ワイヤー効果を分離するための準4端子幾何構造を用いて実験的測定を実施する。
• DMSにおける電圧依存バンド曲げを含む修正された電荷不均衡モデルを考案し、内因的ポテンシャル ΔU を主要変数とする。
• ボルツマン統計を用いて、界面におけるスピン準位間のエネルギー分裂とスピン偏極 β を関連付ける。
• 理論的曲線は、式 (3) を繰り返し解いて β(x=0) を求め、その後式 (1) および (2) を用いて ΔR/R を計算することで生成する。λ_NMS および σ_NMS は実験データからキャリブレーションされる。
• 電圧軸は V_j = IΔR + V_bias(λ_NMS/x_0) を用いてキャリブレーションされ、理論と実験の直接比較が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイアス電圧の増加が、線形領域を超えたDMS/半導体ヘテロ構造におけるスピン注入効率にどのように影響するか？
• RQ2 DMS/NMS界面におけるバンド曲げおよび電荷蓄積が、スピン注入界面におけるスピン偏極にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 観測された非線形的磁気抵抗抑制は、ドリフトメカニズムではなく静電的効果によって説明可能か？
• RQ4 印加電圧とDMS内でのスピン偏極低下との間の定量的関係は何か？
• RQ5 温度および材料パラメータは、非線形スピンエレクトロニクス効果の発現および大きさにどのように影響するか？

主な発見

• 接合部にわずか3–10 mVの電圧降下が生じるだけで、磁気抵抗が2桁低下し、これはスピン注入効率の著しい抑制を示している。
• 実験データは、1.6 K から 6 K の間で ΔR/R が温度に依存しないことを示しており、支配的メカニズムが熱的に励起されたものではないことを示唆している。
• 自己無撞撃的バンド曲げアプローチを用いた理論的モデリングは、実験曲線の形状、大きさ、電圧範囲、および温度依存性を再現している。
• モデルは、バイアス下での内因的ポテンシャル ΔU の増加に伴い、DMSにおける少数スピン準位の再分布が原因で抑制が生じると説明している。
• YuとFlattéが提唱したドリフト効果は、予想される高い電場閾値および温度依存性の欠如から、主なメカニズムとして除外される。
• これらの結果は、わずかなバイアスでも静電的効果によってスピン偏極が著しく劣化するため、スピンエレクトロニクスデバイスに根本的な電圧制限が存在することを示唆している。