[논문 리뷰] Room temperature Giant Spin-dependent Photoconductivity in dilute nitride semiconductors

Fan Zhao, A. Balocchi외 7명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 24.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 19인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장이나 반자성층이 없는 비자성 GaAsN 희석 질화물 반도체에서 광학적 스핀 주입 및 전송 스펙트로스코피를 이용해 실온에서 최대 40%에 이르는 거대한 스핀에 의존하는 광전도도를 입증한다. 이 효과는 질소로 유도된 깊은 반자성 중심에서 도너 밴드 전자에 대한 스핀에 의존하는 재결합에 기인하며, 외부 자기장이나 반자성층 없이도 전기적 탐지 및 스핀 필터링이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장이나 반자성층이 없는 실온에서 작동하는 단순한, 모든 반도체 스핀 광검출기를 개발한다.
• 원형 편광 빛으로 광학적으로 주입한 전자 스핀의 전기적 탐지 및 능동적 필터링을 실험적으로 입증한다.
• GaAsN에서 스핀에 의존하는 재결합(SDR) 및 스핀 필터링을 가능하게 하는 N으로 유도된 깊은 반자성 중심의 기여를 조사한다.
• 스핀에 의존하는 재결합 동역학을 기반으로 한 실온에서 전원 스위칭이 가능한 스핀 광검출 메커니즘을 수립한다.
• 희석 질화물 반도체를 사용하여 비자성 전극으로 스핀 분극 전류를 생성하고 탐지할 수 있는 가능성을 검증한다.

제안 방법

• 반도체 기판 위에 50 nm Si doping된 (n = 2×10¹⁸ cm⁻³) 및 100 nm undoped GaAs₀.₉₇₉N₀.₀₂₁ 박막을 분자비임프레션법으로 성장시켰다.
• 840 nm에서 1.5 ps 펄스를 방출하는 모드-잠금 Ti:Sa 레이저를 사용하여, 원형 또는 선형 편광을 조절 가능한 광학적 방식으로 도너 밴드에 스핀 분극 전자를 주입하였다.
• 10 kΩ 부하 저항을 사용한 락인 증폭기를 통해 전류 변화를 측정하기 위해 두 Ag 전극(0.8 mm 간격) 사이에 편압을 도입하였다.
• 반사판을 회전시켜 레이저 편광을 연속적으로 조절하여 원형 편광도를 변화시키고, 그에 따른 스핀에 의존하는 광전도도(SDP) 반응을 측정하였다.
• SDP의 각도 의존성을 모델링하기 위해 말루스 법칙 유사 모델을 적용하였다: Δσ(θ)/σ = (Δσ/σ)·sin²(2θ), 이는 스핀 주입의 광학적 편광 의존성을 확인한다.
• 광원 강도와 편압을 체계적으로 변화시켜 SDP 효과의 강도 및 전압 의존성을 분석하였으며, 이는 이동도 기반 메커니즘과의 차이를 명확히 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이 없는 비자성 반도체에서 실온에서 스핀에 의존하는 광전도도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 거대한 스핀에 의존하는 전도도 변화의 근본 원인은 무엇이며, 이는 스핀에 의존하는 재결합인지, 이동도 효과인지?
• RQ3 입사 빛의 원형 편광도가 GaAsN 구조에서 전기적 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 편압 조건에서 GaAsN 구조가 전기적으로 주입된 실린더에 대해 스핀 필터로 기능할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 광원 강도와 적용 전압를 조절하여 스핀 필터링 및 광전도도 반응을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 실온에서 GaAsN에서 최대 40%에 이르는 거대한 스핀에 의존하는 광전도도(SDP) 변화가 관측되었으며, Δσ/σ = (σ⁺ − σˣ)/σˣ로 정의된다.
• SDP 효과는 스핀에 의존하는 재결합(SDR)에 의해 유도되며, 이는 스핀에 의존하는 이동도가 아닌, 질소로 유도된 깊은 반자성 중심에서 도너 밴드 전자에 대한 재결합에 기인한다.
• SDP 반응은 말루스 법칙 유사 각도 의존성을 보이며: Δσ(θ)/σ = (Δσ/σ)·sin²(2θ), 이는 광학적 편광 의존성에 의한 스핀 주입의 정당성을 확인한다.
• 낮은 광원 강도(≤200 W·cm⁻²)에서는 SDP 효과가 사라지며, 이는 깊은 중심의 효과적인 분극화에 전자 밀도가 중심 밀도와 유사해야 함을 시사한다.
• 고강도 광원 강도(>500 W·cm⁻²)에서는 전자 밀도가 깊은 중심 밀도를 초과하여 SDR 효율이 저하됨에 따라 SDP가 약간 감소한다.
• 적용 전압이 증가함에 따라(SD) 감소하며, 이는 전기적으로 주입된 분극되지 않은 실린더가 효과적인 스핀 필터링 효율을 떨어뜨리지만, 저전압 조건에서는 여전히 40%의 상당한 SDP가 유지됨을 나타낸다.