[论文解读] Reconciling results of tunnelling experiments on (Ga,Mn)As

T. Dietl, D. Sztenkiel|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2011

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 4

一句话总结

该论文通过提出共振隧穿特征源自GaAs:Be层中形成的二维空穴亚能级，而非(Ga,Mn)As，解决了扫描隧道谱学（STS）与隧穿测量在(Ga,Mn)As中存在矛盾的问题。该模型基于自洽的泊松-薛定谔计算，通过负偏压下的界面空穴积累解释了非单调导纳振荡，无需在(Ga,Mn)As中引入显著的Mn杂质能带或强交换分裂，从而调和了相互矛盾的实验结果。

ABSTRACT

A theoretical model is presented which allows to reconcile findings of scanning tunnelling spectroscopy for (Ga,Mn)As [Richardella et al. Science 327, 66 (2010)] with results for tunneling across (Ga,Mn)As thin layers [Ohya et al. Nature Phys. 7, 342 (2011); Phys. Rev. Lett. 104, 167204 (2010)]. According to the proposed model, supported by a self-consistent solution of the Poisson and Schroedinger equations, a nonmonotonic behaviour of differential tunnel conductance as a function of bias is associated with the appearance of two-dimensional hole subbands rather in the GaAs:Be electrode than in the (Ga,Mn)As layer.

研究动机与目标

• 调和扫描隧道谱学（STS）与(Ga,Mn)As异质结构隧穿测量之间的矛盾实验结果。
• 解决STS结果表明(Ga,Mn)As中存在强无序且无杂质能带，而隧穿数据却显示涉及能级量子化的共振隧穿这一矛盾。
• 提出一种机制，解释观测到的非单调微分电导，而无需在(Ga,Mn)As中存在显著的交换分裂或主导的杂质能带。
• 证明共振特征源于负偏压下界面处空穴积累引起的GaAs:Be层，而非(Ga,Mn)As。
• 通过隧穿结中的串联电阻解释共振位置随厚度变化的依赖关系。

提出的方法

• 使用六带k·p模型对泊松方程和薛定谔方程进行自洽求解，以模拟GaAs:Be和(Ga,Mn)As异质结构中的电子结构。
• 将GaAs:Be层建模为掺杂调制的p型半导体，具有低受主浓度和无序，导致弱展宽的二维空穴亚能级。
• 通过计算微分电导d²I/dV²随偏压电压的变化，模拟隧穿电流-电压特性。
• 使用nextnano³泊松求解器计算外加偏压下的能带弯曲和亚能级形成，特别关注V < -0.1 V时空穴积累的起始。
• 将测得的共振电压V_R(d)与电阻-面积（RA）乘积相关联，假设Au/(Ga,Mn)As和(Ga,Mn)As/AlAs/GaAs:Be结的串联电阻。
• 通过将计算得到的V_R(d)与Ohya等人针对不同(Ga,Mn)As厚度d的实验数据对比，验证该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何扫描隧道谱学实验在(Ga,Mn)As中未显示杂质能带或强交换分裂的证据，而隧穿测量却报告了清晰的共振特征？
• RQ2 在(Ga,Mn)As/GaAs:Be异质结构中，何种物理机制可解释观测到的非单调微分电导，而无需在(Ga,Mn)As中存在能级量子化？
• RQ3 在负偏压下，GaAs:Be中二维空穴亚能级的形成如何影响异质结构的隧穿特性？
• RQ4 为何隧穿谱中的共振位置随厚度变化？这种依赖关系如何定量解释？
• RQ5 测得的RA乘积和电阻随(Ga,Mn)As厚度的变化在多大程度上支持所提出的界面亚能级模型？

主要发现

• d²I/dV²的非单调行为归因于在负偏压下GaAs:Be中形成的二维空穴亚能级，而非(Ga,Mn)As。
• 空穴在GaAs:Be中的积累始于约V = -0.1 V，导致在V < -0.1 V时出现界面二维亚能级。
• 对第一和第二隧穿特征计算得到的共振电压V_R(d)在不同(Ga,Mn)As厚度d下与实验数据吻合。
• RA乘积随d的变化主要由Au/(Ga,Mn)As和(Ga,Mn)As/AlAs/GaAs:Be的电阻串联决定，解释了V_R(d)的标度关系。
• 该模型解释了隧穿谱中未观测到交换分裂和杂质能带贡献的现象，与STS结果一致。
• 自洽泊松-薛定谔求解结果证实，即使在高T_C样品中，(Ga,Mn)As的价带也基本未受无序影响，且交换分裂可忽略不计。