[论文解读] Large spin splitting of GaN electronic states induced by Gd doping

V. F. Sapega, M. Ramsteiner+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2005

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 6

一句话总结

本研究证明，Gd共掺杂可在GaN价带中诱导出异常巨大的自旋分裂，且在Gd浓度仅为1.6 × 10¹⁶ cm⁻³时自旋分裂符号发生反转。该效应源于Gd离子在GaN基质中诱导的长程磁矩，经磁光致发光和SQUID测量证实，从而实现室温铁磁性及巨大的磁矩（每Gd离子约3000 μB），使GaN:Gd成为一种有前途的自旋电子学材料。

ABSTRACT

We present a detailed study of the magnetic-field and temperature-dependent polarization of the near-band-gap photoluminescence in Gd-doped GaN layers. Our study reveals an extraordinarily strong influence of Gd doping on the electronic states in the GaN matrix. We observe that the spin splitting of the valence band reverses its sign for Gd concentrations as low as 1.6 x 10^{16} cm^{-3}. This remarkable result can be understood only in terms of a long range induction of magnetic moments in the surrounding GaN matrix by the Gd ions.

研究动机与目标

• 研究Gd共掺杂对GaN电子与磁性特性的影响，以期应用于自旋电子学。
• 确定GaN:Gd中大自旋分裂的起源，特别是其是否源于局域或长程效应。
• 通过光学、磁性和结构测量的相关性，理解巨大磁矩和高居里温度背后的机制。
• 评估GaN:Gd作为全半导体自旋电子器件中自旋注入材料的可行性。

提出的方法

• 在5–100 K温度范围内，对Gd浓度分别为1.6 × 10¹⁶ cm⁻³和6 × 10¹⁶ cm⁻³的Gd共掺杂GaN外延层进行磁光致发光（MPL）光谱测量，外加磁场最高达12 T。
• 通过分析施主束缚激子（D⁰,X）发射的圆偏振度，利用Zeeman效应和磁场诱导的圆偏振度探测自旋分裂。
• 采用具有Gd离子影响范围球体的连续渗流模型描述磁耦合的空间范围，以体积分数y = 1 − exp(−νN_Gd)作为关键参数。
• 利用参数α、γ和y拟合磁场依赖的极化数据，其中ΔE_int代表内禀自旋分裂，并通过温度依赖性测量验证模型。
• 结合SQUID磁强计与SIMS测量，确认铁磁性在300 K以上仍存在，且Gd分布均匀无析出相。
• 利用高分辨率XRD和TEM排除GaN:Gd外延层中存在第二相或团簇的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Gd共掺杂GaN中观测到的大自旋分裂的起源是什么？其是否源于局域或长程磁相互作用？
• RQ2 GaN价带中的自旋分裂如何随Gd浓度变化？在何种掺杂水平下发生符号反转？
• RQ3 观测到的每Gd离子高达3000 μB的巨大磁矩能否通过长程磁耦合机制而非局域磁矩来解释？
• RQ4 GaN基质在GaN:Gd宏观磁化强度中贡献程度如何？这与电子能带结构有何关联？
• RQ5 GaN:Gd能否作为具有高居里温度和强自旋极化的全半导体自旋注入材料？

主要发现

• GaN价带中的自旋分裂在Gd浓度低至1.6 × 10¹⁶ cm⁻³时即发生符号反转，表明有效磁场发生剧烈变化。
• 在样品B（6 × 10¹⁶ cm⁻³）中，受Gd影响的基质体积分数y接近于1（y ≈ 1），表明影响范围半径约为25 nm，与Gd原子间平均间距相当。
• 在样品A（1.6 × 10¹⁶ cm⁻³）中测得每Gd离子的磁矩高达3000 μB，远超原子磁矩8 μB。
• 两个样品的铁磁性均在300 K以上保持稳定，居里温度超过室温。
• 该模型成功再现了极化度和自旋分裂的温度依赖性，且ΔE_int随SQUID测量的磁化强度下降而减小。
• 通过XRD和TEM未检测到第二相或团簇，证实掺杂均匀，排除了相分离效应的影响。