[论文解读] 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 7

一句话总结

该论文通过在反向偏置下从p型(Ga,Mn)As层向n-GaAs层注入自旋极化的电子，展示了(Ga,Mn)As中的自旋极化Zener隧穿效应。由此产生的电流在附近的量子阱LED中引发自旋极化的电致发光，从而实现了对(Ga,Mn)As层磁化强度随温度和磁场变化的实时监测，证明了在稀磁半导体中实现了高效的自旋注入与输运。

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.

研究动机与目标

• 研究基于(Ga,Mn)As的Zener隧穿二极管中的自旋极化带间隧穿。
• 在反向偏置下，证明从p型稀磁半导体向非磁性半导体的高效自旋注入。
• 将(Ga,Mn)As的磁化强度与量子阱LED中电致发光的偏振度相关联，以实现实时探测。
• 探索(Ga,Mn)As中自旋极化的温度与磁场依赖性。

提出的方法

• 制备了基于(Ga,Mn)As的Zener隧穿二极管，其包含p型(Ga,Mn)As层和相邻的n-GaAs层。
• 施加反向偏置以驱动(Ga,Mn)As价带电子隧穿进入n-GaAs导带。
• 将隧穿电流注入GaAs/GaAlAs多量子阱结构，以产生电致发光。
• 测量发射光的偏振度以追踪注入载流子的自旋极化度。
• 通过外加磁场和温度控制调节(Ga,Mn)As层的磁化强度。
• 将电致发光的偏振度与(Ga,Mn)As的磁态相关联，以确认自旋极化隧穿效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在反向偏置下，能否通过Zener隧穿从p型(Ga,Mn)As层高效注入自旋极化的电子至n-GaAs层？
• RQ2 隧穿电流的自旋极化度与(Ga,Mn)As层的磁化强度之间存在何种关联？
• RQ3 量子阱LED中的电致发光偏振度在多大程度上反映了(Ga,Mn)As层的磁态？
• RQ4 温度与磁场如何影响(Ga,Mn)As中的自旋极化隧穿效率？
• RQ5 电致发光能否作为稀磁半导体中自旋极化度的实时、非侵入式探测手段？

主要发现

• 成功在(Ga,Mn)As中演示了自旋极化Zener隧穿，实现了在反向偏置下向n-GaAs高效注入自旋极化电子。
• 量子阱LED中的电致发光偏振度随温度和磁场变化，准确追踪了(Ga,Mn)As层的磁化强度。
• 观察到自旋极化度与外加磁场之间存在清晰关联，证实了自旋依赖的隧穿机制。
• 发现(Ga,Mn)As的磁化强度随温度变化，且该变化在发射光的偏振度中得到直接体现。
• 该系统实现了自旋极化的实时电学探测，验证了电致发光作为稀磁半导体中自旋输运探测手段的有效性。
• 结果证实，当在Zener隧穿工作模式下运行时，(Ga,Mn)As可作为高效的自旋注入源。