[论文解读] 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 8

一句话总结

本论文通过光学自旋注入与输运光谱技术，在非磁性GaAsN稀疏氮化物半导体中实现了室温下高达40%的巨量自旋依赖光致导电性。该效应源于导带电子在氮原子诱导的深能级顺磁中心上的自旋依赖复合，从而实现无需外加磁场或铁磁层的电学检测与自旋过滤。

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.

研究动机与目标

• 开发一种简单、全半导体结构的自旋光电探测器，可在室温下工作，无需外加磁场或铁磁层。
• 通过圆偏振光激发，实现对导带电子自旋的电学检测与主动过滤。
• 研究氮原子诱导的深顺磁中心在实现自旋依赖复合（SDR）及自旋过滤中的作用。
• 建立基于自旋依赖复合动力学的室温、可电控开关的自旋光电探测机制。
• 验证利用稀疏氮化物半导体通过非磁性电极生成与探测自旋极化电流的可行性。

提出的方法

• 采用分子束外延法在半绝缘GaAs衬底上生长50 nm硅掺杂（n = 2×10¹⁸ cm⁻³）和100 nm本征GaAs₀.₉₇₉N₀.₀²₁薄膜。
• 使用锁模Ti:Sa激光器，波长840 nm，脉宽1.5 ps，偏振态可调（圆偏振或线偏振），实现对导带中自旋极化电子的光学注入。
• 通过锁相放大器测量光致导电性，采用10 kΩ负载电阻，并在两个银电极（间距0.8 mm）间施加偏置电压，以检测电流变化。
• 通过旋转四分之一波片调节激光偏振态，连续调节圆偏振度，并测量相应的自旋依赖光致导电性（SDP）响应。
• 采用马吕斯型定律模型拟合SDP的角依赖性：Δσ(θ)/σ = (Δσ/σ)·sin²(2θ)，证实了自旋注入对光学偏振的依赖性。
• 系统调节激发强度与外加电压，研究SDP效应的强度与电压依赖性，以区分其与迁移率相关机制的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无外加磁场的非磁性半导体中实现室温下的自旋依赖光致导电性？
• RQ2 所观测到的GaAsN中巨量自旋依赖电导率变化的来源是什么？是自旋依赖复合还是迁移率效应？
• RQ3 入射光的圆偏振度对GaAsN结构的电响应有何影响？
• RQ4 在偏置条件下，GaAsN结构对电注入载流子的自旋过滤能力在多大程度上可实现？
• RQ5 通过调节激发强度与外加电压，能否调控自旋过滤与光致导电性响应？

主要发现

• 在室温下，GaAsN中观察到高达40%的巨量自旋依赖光致导电性变化，Δσ/σ = (σ⁺ − σˣ)/σˣ。
• SDP效应由导带电子在氮原子诱导的深顺磁中心上的自旋依赖复合（SDR）驱动，而非自旋依赖迁移率。
• SDP响应遵循马吕斯型角依赖关系：Δσ(θ)/σ = (Δσ/σ)·sin²(2θ)，证实了自旋注入对光学偏振的依赖性。
• 在低激发强度（≤200 W·cm⁻²）下，SDP效应消失，表明深中心的有效极化需要载流子密度与中心密度相当。
• 在高激发强度（>500 W·cm⁻²）下，SDP略有下降，原因在于载流子密度超过深中心密度，抑制了SDR效率。
• 随着外加电压增加（V ≥ 5 V），SDP减小，表明电注入的非极化载流子降低了有效自旋过滤效率，尽管在低电压下仍保持显著的40% SDP。