[論文レビュー] Spin-polarized Zener tunneling in (Ga,Mn)As

Ezekiel Johnston‐Halperin, D. D. Lofgreen+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2001

Magnetic Field Sensors Techniques被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、逆バイアス下でp型(Ga,Mn)As層からn-GaAs層へスピン極化電子を注入することで、(Ga,Mn)Asにおけるスピン極化Zenerトンネル効果を実証した。得られた電流は、近接する量子井戸LEDでスピン極化発光を誘発し、温度および磁場の関数として(Ga,Mn)As層の磁化をリアルタイムでモニタリング可能となった。これにより、希薄磁性半導体における効率的スピン注入および輸送が裏付けられた。

ABSTRACT

We investigate spin-polarized inter-band tunneling through measurement of (Ga,Mn)As based Zener tunnel diode. By placing the diode under reverse bias, electron spin polarization is transferred from the valence band of p-type (Ga,Mn)As to the conduction band of an adjacent n-GaAs layer. The resulting current is monitored by injection into a quantum well light emitting diode whose electroluminescence polarization is found to track the magnetization of the (Ga,Mn)As layer as a function of both temperature and magnetic field.

研究の動機と目的

• p型(Ga,Mn)Asを用いたZenerトンネルダイオードにおけるスピン極化遷移帯間トンネル効果の調査。
• 逆バイアス下で、p型希薄磁性半導体から非磁性半導体への効率的スピン注入の実証。
• 量子井戸LEDにおける発光の偏光と(Ga,Mn)As層の磁化を関連づけ、リアルタイム検出を可能にする。
• 温度および磁場の変化が(Ga,Mn)Asにおけるスピン極化に与える影響の調査。

提案手法

• p型(Ga,Mn)As層と隣接するn-GaAs層を有する(Ga,Mn)AsベースのZenerトンネルダイオードを形成した。
• p型(Ga,Mn)Asの価電子帯からn-GaAsの導体帯への遷移帯間トンネルを駆動するため、逆バイアスを印加した。
• トンネル電流をGaAs/GaAlAs多重量子井戸構造に注入し、発光を生成した。
• 発光の偏光を測定することで、注入キャリアのスピン極化を追跡した。
• 外部磁場および温度制御を用いて(Ga,Mn)As層の磁化を変化させた。
• 発光の偏光と(Ga,Mn)Asの磁気的状態を関連づけ、スピン極化トンネル効果の確認を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆バイアス下で、p型(Ga,Mn)As層からn-GaAs層へのスピン極化電子のZenerトンネル効果による効率的注入が可能か？
• RQ2 トンネル電流のスピン極化度は、(Ga,Mn)As層の磁化とどのように相関するか？
• RQ3 量子井戸LEDにおける発光の偏光は、(Ga,Mn)As層の磁気的状態をどの程度正確に反映するか？
• RQ4 温度および磁場の変化が、(Ga,Mn)Asにおけるスピン極化トンネル効率に与える影響は何か？
• RQ5 発光を用いることで、希薄磁性半導体におけるスピン極化をリアルタイムかつ非破壊的にプローブできるか？

主な発見

• 逆バイアス下で、(Ga,Mn)Asにおけるスピン極化Zenerトンネル効果が成功裏に実証され、効率的なスピン極化電子のn-GaAsへの注入が可能となった。
• 量子井戸LEDにおける発光の偏光は、温度および磁場の関数として(Ga,Mn)As層の磁化と一致して変化した。
• スピン極化度と印加磁場との間に明確な相関が観察され、スピン依存トンネルメカニズムの確認が得られた。
• (Ga,Mn)Asの磁化は温度に依存しており、その変化が発光の偏光に直接反映された。
• 本システムにより、スピン極化の電気的リアルタイム検出が可能となり、発光を用いたスピン輸送のプローブとしての有効性が裏付けられた。
• 本結果により、Zenerトンネル領域で動作する(Ga,Mn)Asが、効果的なスピンインジェクタとして機能可能であることが確認された。