滕利華牟麗君

(青島科技大學(xué)物理系,山東省新型光電材料與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,青島 266061)

摻雜對(duì)稱性對(duì)(110)晶向生長(zhǎng)GaAs/AlGaAs量子阱中電子自旋弛豫動(dòng)力學(xué)的影響?

滕利華?牟麗君

(青島科技大學(xué)物理系,山東省新型光電材料與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,青島 266061)

(2016年1月1日收到;2016年10月10日收到修改稿)

采用時(shí)間分辨圓偏振光抽運(yùn)-探測(cè)光譜,測(cè)量了(110)晶向生長(zhǎng)的近似對(duì)稱和完全非對(duì)稱摻雜GaAs/AlGaAs量子阱中的電子自旋弛豫,發(fā)現(xiàn)兩種量子阱材料中的電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),且近似對(duì)稱摻雜GaAs量子阱中的電子自旋弛豫時(shí)間明顯大于完全非對(duì)稱摻雜量子阱.分析表明,在(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中并非只有通常認(rèn)為的Bir-Aronov-Pikus(BAP)機(jī)理起作用,在低載流子濃度區(qū)域,兩種量子阱中D′yakonov-Perel′(DP)機(jī)理起主導(dǎo)作用,高載流子濃度區(qū)域BAP機(jī)理和DP機(jī)理都起作用,完全非對(duì)稱摻雜的量子阱中DP機(jī)理強(qiáng)于近似對(duì)稱摻雜量子阱.

圓偏振光飽和吸收光譜,電子自旋弛豫,摻雜對(duì)稱性,GaAs/AlGaAs量子阱

1 引 言

利用電子自旋自由度取代或結(jié)合電荷自由度進(jìn)行工作的自旋電子器件被認(rèn)為在半導(dǎo)體納米電子器件集成制造中具有廣闊的應(yīng)用前景[1,2].然而,這些應(yīng)用都依賴于不同自旋弛豫壽命的獲得,比如自旋光開關(guān)等自旋器件要求電子具有超快自旋弛豫過程,而量子信息存儲(chǔ)器件等則要求自旋極化保持的時(shí)間足夠長(zhǎng)[3-5].半導(dǎo)體中電子自旋弛豫動(dòng)力學(xué)及其隨材料類型、材料結(jié)構(gòu)以及環(huán)境等因素的變化研究一直是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域[3-8].

目前所研究的自旋電子學(xué)材料中,以量子阱材料為代表的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)以其在自旋電子器件中的重要應(yīng)用價(jià)值而備受關(guān)注.通常認(rèn)為,在本征和n型摻雜的III-V族半導(dǎo)體量子阱中電子自旋弛豫的主要機(jī)理是DP機(jī)理[5,9,10].由結(jié)構(gòu)的空間反演非對(duì)稱所導(dǎo)致的Rashba效應(yīng)和晶格的空間反演非對(duì)稱所導(dǎo)致的Dresselhaus效應(yīng)引起導(dǎo)帶電子態(tài)的自旋劈裂,該效應(yīng)等價(jià)于晶體內(nèi)部存在一個(gè)有效磁場(chǎng),從而引發(fā)和影響電子的自旋弛豫[10,11].在結(jié)構(gòu)的空間反演對(duì)稱GaAs量子阱中,Dresselhaus效應(yīng)起主導(dǎo)作用.如果量子阱生長(zhǎng)方向沿(001)或(111)晶向,有效磁場(chǎng)在量子阱平面內(nèi),可以引起垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫;而對(duì)于(110)晶向生長(zhǎng)的量子阱,有效磁場(chǎng)垂直于量子阱平面,因而Dresselhaus效應(yīng)對(duì)垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫沒有貢獻(xiàn).再加上Rashba效應(yīng)在結(jié)構(gòu)空間反演對(duì)稱GaAs量子阱中幾乎不起作用,通常認(rèn)為D′yakonov-Perel′(DP)機(jī)理在(110)晶向生長(zhǎng)的量子阱中基本不起作用,因而,垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫時(shí)間非常長(zhǎng)[10].Ohno等[12]在低溫下測(cè)得n型摻雜(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中電子自旋弛豫時(shí)間在1 ns左右,摻雜濃度越低自旋弛豫時(shí)間越長(zhǎng),指出電子自旋弛豫的主要機(jī)理為電子-空穴散射引起的BAP機(jī)理;Eldrige等[13]測(cè)得常溫下(110)晶向生長(zhǎng)的本征GaAs量子阱中電子自旋弛豫時(shí)間超過1 ns;V?lkl等[14]測(cè)得高遷移率(110)晶向生長(zhǎng)的n型GaAs量子阱中電子自旋弛豫時(shí)間甚至可以超過16 ns,之前的研究結(jié)果普遍認(rèn)為(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中電子自旋弛豫的主要機(jī)理是Bir-Aronov-Pikus(BAP)機(jī)理[12,14].最近,Han等[15]分別測(cè)量了結(jié)構(gòu)的空間反演對(duì)稱和非對(duì)稱(001)晶向生長(zhǎng)n型摻雜GaAs量子阱中電子的自旋弛豫時(shí)間,發(fā)現(xiàn)由于非對(duì)稱量子阱中存在較強(qiáng)的Rashba效應(yīng),由此產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場(chǎng)會(huì)加速電子的自旋弛豫.對(duì)于(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱也應(yīng)存在類似效應(yīng),那么結(jié)構(gòu)的空間反演非對(duì)稱(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中電子自旋弛豫的機(jī)理是否仍然是BAP機(jī)理起主導(dǎo)作用?電子的自旋弛豫是否存在DP機(jī)理和BAP機(jī)理相互競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象?深入研究(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中電子初始自旋弛豫動(dòng)力學(xué),既是加深對(duì)半導(dǎo)體自旋電子學(xué)物理基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)的需要,也是自旋電子器件發(fā)展的需要.為此,本文通過改變量子阱中n型摻雜位置的對(duì)稱性而改變結(jié)構(gòu)的空間反演對(duì)稱性和勢(shì)能結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,測(cè)量了摻雜位置近似對(duì)稱和完全非對(duì)稱(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中的電子自旋弛豫時(shí)間,發(fā)現(xiàn)低載流子濃度區(qū)域DP機(jī)理起主導(dǎo)作用,高載流子濃度區(qū)域BAP機(jī)理和DP機(jī)理都起作用,完全非對(duì)稱摻雜的量子阱中DP機(jī)理強(qiáng)于近似對(duì)稱摻雜量子阱.

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用的樣品如圖1所示,樣品A和B均由沿著(110)晶向生長(zhǎng)的10個(gè)周期的GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱組成,每個(gè)勢(shì)壘層均含有n型的Si調(diào)制摻雜層.其中,樣品A除第1個(gè)量子阱以外,摻雜層的位置關(guān)于其余9個(gè)周期的量子阱對(duì)稱,樣品B中Si摻雜層的位置關(guān)于10個(gè)周期的量子阱都是非對(duì)稱的,樣品A和B中的摻雜電子濃度分別為2.5×1011cm-2和1.6×1011cm-2,具體的摻雜位置以及勢(shì)阱層和勢(shì)壘層的厚度如圖1所示.

由自鎖模鈦寶石激光器輸出的脈寬100 fs,中心波長(zhǎng)850 nm,重復(fù)率82 MHz的激光脈沖列通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的抽運(yùn)-探測(cè)裝置[16,17],輸出的抽運(yùn)/探測(cè)光強(qiáng)比為5/1,在抽運(yùn)光束中置一個(gè)1/2波片,分別控制抽運(yùn)光束與探測(cè)光束為平行和正交線偏振,進(jìn)而通過1/4波片分別產(chǎn)生同旋向和反旋向圓偏振抽運(yùn)和探測(cè)光.抽運(yùn)和探測(cè)光由一個(gè)焦距為50 mm的透鏡聚焦于樣品的同一點(diǎn)上,聚焦光斑的直徑約為30μm.透過樣品的圓偏振探測(cè)光的強(qiáng)度變化由光電管轉(zhuǎn)換為電流,并由鎖相放大器檢測(cè).一個(gè)連續(xù)可調(diào)衰減片用于控制輸入光功率,達(dá)到改變激發(fā)載流子濃度的目的,實(shí)驗(yàn)中入射到樣品的抽運(yùn)光功率控制在1—18 mW之間.樣品中的光激發(fā)載流子濃度N通過公式(1-R)Eα/(hνS)計(jì)算[5],其中R和α分別為反射比和吸收比,E為抽運(yùn)光的單脈沖能量,hν為光子能量,S為抽運(yùn)光斑面積.

圖1 量子阱A和B的勢(shì)能圖和摻雜位置Fig.1.Diagram of potential energy and doping position in quantum wells A and B.

在摻雜位置近似對(duì)稱和完全非對(duì)稱量子阱A和B中,分別測(cè)量了不同光激發(fā)載流子濃度N下圓偏振光抽運(yùn)-探測(cè)的歸一化飽和透射強(qiáng)度變化隨延遲時(shí)間的掃描曲線.其中量子阱A和B中測(cè)得的兩組典型曲線分別如圖2(a)和圖2(b)所示,紅色實(shí)線(σ+,σ+)和黑色實(shí)線(σ+,σ-)分別表示同旋向和反旋向圓偏振光抽運(yùn)-探測(cè)曲線.飽和透射強(qiáng)度變化可由如下模型描述[18,19]：

式中A為比例系數(shù),P為電子初始自旋極化度,Ts和Tr分別為電子自旋弛豫時(shí)間和電子壽命,t為延遲時(shí)間,(ΔT/T)+和(ΔT/T)-分別表示同旋向和反旋向圓偏振光抽運(yùn)-探測(cè)透射變化,綠色實(shí)線為利用飽和透射強(qiáng)度變化的理論模型擬合得到的曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,一定時(shí)間延遲后(σ+,σ+)和(σ+,σ-)趨于重合,自旋弛豫趨于結(jié)束.在量子阱A和B中,隨載流子濃度的增大,(σ+,σ+)和(σ+,σ-)曲線的重合點(diǎn)都先向后移動(dòng),再向前移動(dòng),說明電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).

圖2 (網(wǎng)刊彩色)摻雜位置近似對(duì)稱(a)和完全非對(duì)稱(b)量子阱中的歸一化飽和透射強(qiáng)度變化 紅色和黑色實(shí)線為同向和反向圓偏振光抽運(yùn)-探測(cè)得到的飽和透射強(qiáng)度變化曲線,綠色實(shí)線為理論擬合曲線;除N=1.26×1012cm-2外,其他曲線的零基線均被漂移Fig.2.(color online)Normalized transmission changes in approximate symmetrical(a)and completely asymmetrical(b)doping quantum wells.The red and black solid lines are taken from co-helicity pump-probe beams and cross-helicity pump-probe beams,respectively.The green solid lines are the fittings with theoretical model.Differenty-axis offsets are added to each set of curves for clarity except the curves with carrier density of 1.26×1012cm-2.

3 自旋弛豫機(jī)理討論

利用飽和透射強(qiáng)度變化的理論模型擬合實(shí)驗(yàn)曲線得到電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的關(guān)系如圖3所示,紅色圓點(diǎn)和黑色方形點(diǎn)分別為近似對(duì)稱摻雜的量子阱A和完全非對(duì)稱摻雜量子阱B中測(cè)得的自旋弛豫時(shí)間τsA和τsB.為了便于比較,我們同時(shí)測(cè)量了11個(gè)周期(001)晶向生長(zhǎng)的本征GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱C的電子自旋弛豫時(shí)間τsC,如圖3中綠色三角形點(diǎn)所示,該量子阱勢(shì)阱和勢(shì)壘層的厚度分別為10 nm和6 nm,結(jié)果顯示在我們所測(cè)量的濃度范圍內(nèi)始終存在τsA＞τsB的關(guān)系.對(duì)于(001)晶向生長(zhǎng)的本征GaAs量子阱C,DP機(jī)理是電子自旋弛豫的主要機(jī)理,BAP機(jī)理幾乎不起作用,因而在非簡(jiǎn)并的低載流子濃度區(qū),隨載流子濃度的增大,動(dòng)量散射增強(qiáng),散射時(shí)間減小,電子自旋弛豫時(shí)間增大[9].與量子阱C相似,在載流子濃度分別低于2.1×1011cm-2和2.7×1011cm-2的范圍內(nèi),在近似對(duì)稱摻雜的量子阱A和完全非對(duì)稱摻雜的量子阱B中,由于摻雜電子濃度分別為2.5×1011cm-2和1.6×1011cm-2,兩種材料中均存在較強(qiáng)的電子-電子散射,隨載流子濃度的增大,電子-電子散射增強(qiáng),動(dòng)量弛豫時(shí)間減小,電子自旋弛豫時(shí)間τsA和τsB均增大.由于BAP機(jī)理指出,電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的增大而減小[13,14,20],因此,在低濃度區(qū)量子阱A和B中的電子自旋弛豫的主導(dǎo)機(jī)理為DP機(jī)理.而在量子阱中DP機(jī)理是各向異性的,對(duì)于(001)晶向生長(zhǎng)的量子阱C,由Dresselhaus自旋軌道耦合產(chǎn)生的有效磁場(chǎng)在量子阱平面內(nèi),垂直于量子阱平面方向的自旋極化將會(huì)感受到面內(nèi)的隨機(jī)磁場(chǎng)而進(jìn)動(dòng),從而導(dǎo)致垂直于量子阱平面方向的自旋弛豫[10],但對(duì)于(110)晶向生長(zhǎng)的量子阱,有效磁場(chǎng)垂直于量子阱平面,Dresselhaus效應(yīng)對(duì)垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫沒有貢獻(xiàn),因而量子阱A和B是由Rashba自旋軌道耦合所產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場(chǎng)導(dǎo)致了垂直于量子阱平面方向的自旋弛豫.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)量子阱A,B和C中電子自旋弛豫時(shí)間與載流子濃度的關(guān)系.Fig.3.(color online)Photocreated carrier density dependence of electron spin relaxation time in quantum wells A,B and C.

摻雜近似對(duì)稱和完全非對(duì)稱的量子阱A和B中,分別具有近似對(duì)稱的勢(shì)能結(jié)構(gòu)和完全非對(duì)稱的勢(shì)能結(jié)構(gòu).非對(duì)稱的勢(shì)能結(jié)構(gòu)會(huì)引起強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng),從而導(dǎo)致由Rashba自旋軌道耦合所產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場(chǎng),該有效磁場(chǎng)能對(duì)垂直于量子阱平面方向的自旋極化產(chǎn)生作用,使其進(jìn)行Larmor進(jìn)動(dòng),導(dǎo)致自旋弛豫.因此,量子阱中勢(shì)能結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性引起的Rashba自旋軌道耦合導(dǎo)致τsB明顯小于τsA.我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過改變摻雜位置的對(duì)稱性改變量子阱的勢(shì)能結(jié)構(gòu),可以有效地改變(110)GaAs量子阱的自旋弛豫速率.因此,在低濃度區(qū)量子阱A和B中的電子自旋弛豫機(jī)理為DP機(jī)理,且非對(duì)稱性越強(qiáng),Rashba效應(yīng)越強(qiáng),DP機(jī)理越明顯,自旋弛豫時(shí)間越短;反之,自旋弛豫時(shí)間越長(zhǎng).

當(dāng)載流子濃度分別高于2.1×1011cm-2和2.7×1011cm-2時(shí),在量子阱A和B中,電子自旋弛豫時(shí)間均隨載流子濃度的增大而迅速減小,此時(shí)載流子濃度遠(yuǎn)高于兩種材料中的摻雜電子濃度,電子-空穴交換相互作用隨載流子濃度的增大迅速增強(qiáng),正如之前所報(bào)導(dǎo)的,BAP機(jī)理開始起重要作用[12,14].然而,此時(shí)DP機(jī)理是否仍起作用?如圖3中藍(lán)色和紅色實(shí)線所示,我們擬合發(fā)現(xiàn)量子阱A和B中測(cè)得的電子自旋弛豫時(shí)間與載流子濃度之間分別服從τs=aN-0.62和τs=bN-0.38的關(guān)系,而BAP機(jī)理指出電子自旋弛豫時(shí)間τs與N-1之間成正比[13],顯然我們測(cè)得的量子阱A和B中的電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的衰減速率均小于只有BAP機(jī)理作用的情況,原因是DP機(jī)理在該濃度區(qū)也起作用.正如量子阱C中的測(cè)量結(jié)果顯示,在載流子濃度較高的簡(jiǎn)并區(qū),電子自旋弛豫的主要機(jī)理仍為DP機(jī)理,且由于非均勻擴(kuò)展對(duì)電子自旋弛豫的加速作用,致使電子自旋弛豫時(shí)間不再增大甚至有略微減小的趨勢(shì)[5],但DP機(jī)理作用下的電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的衰減速率遠(yuǎn)小于BAP機(jī)理,所以在DP機(jī)理也起作用的情況下,量子阱A和B中的電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的衰減速率均小于只有BAP機(jī)理作用的情況.

正是由于DP機(jī)理在量子阱A和B的高濃度區(qū)也起作用,完全非對(duì)稱摻雜的量子阱B中Rashba效應(yīng)強(qiáng)于近似對(duì)稱摻雜的量子阱A,DP機(jī)理更強(qiáng),而兩種材料中BAP機(jī)理強(qiáng)度差別不大,因此,τsB明顯小于τsA.另外,自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的衰減速率取決于BAP機(jī)理和DP機(jī)理的相對(duì)強(qiáng)度,完全非對(duì)稱量子阱B中電子自旋弛豫時(shí)間隨載流子濃度的衰減比量子阱A更慢,原因同樣在于該量子阱中DP機(jī)理的作用強(qiáng)于量子阱A.

4 結(jié) 論

通過測(cè)量摻雜近似對(duì)稱和完全非對(duì)稱GaAs/AlGaAs量子阱中電子自旋弛豫時(shí)間的載流子濃度依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在(110)晶向生長(zhǎng)的GaAs量子阱中并非只有BAP機(jī)理起作用,在低載流子濃度區(qū)域,兩種量子阱材料中DP機(jī)理起主導(dǎo)作用,高載流子濃度區(qū)域BAP機(jī)理和DP機(jī)理都起作用.摻雜位置的不對(duì)稱導(dǎo)致勢(shì)能結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱,從而引起內(nèi)建電場(chǎng)的產(chǎn)生,進(jìn)而引起由Rashba自旋軌道耦合所產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場(chǎng),最終引起垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫,因而完全非對(duì)稱摻雜的量子阱中DP機(jī)理強(qiáng)于近似對(duì)稱摻雜量子阱,而兩種材料中BAP機(jī)理強(qiáng)度差別不大,因此在整個(gè)濃度范圍內(nèi)完全非對(duì)稱摻雜的量子阱中的電子自旋弛豫時(shí)間都小于近似對(duì)稱摻雜量子阱.

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Effect of doping symmetry on electron spin relaxation dynamics in(110)GaAs/AlGaAs quantum wells?

Teng Li-Hua?Mu Li-Jun
(Optoelectronic Materials and Technologies Engineering Laboratory of Shandong,Department of Physics,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,China)

1 January 2016;revised manuscript

10 October 2016)

Considerable interest has been aroused in the study of the spin dynamics in semiconductors due to its potential applications in spintronics and quantum computation.In this paper,time-resolved circularly polarized pump-probe spectroscopy is used to study the carrier density dependences on the electron spin relaxation in approximately symmetrical and completely asymmetrical doping(110)GaAs/AlGaAs quantum wells.With the increase of the carrier density,the spin relaxation time first increases and then decrease obviously in both of the quantum wells,and the measured spin relaxation time of the approximately symmetrical doping quantum wells is always longer than that of the asymmetrical doping one.By analysis,we find that the spin relaxation is not dominated only by the Bir-Aronov-Pikus(BAP)mechanism in(110)GaAs quantum wells,that though the Dresselhaus spin-orbit coupling does not lead to any spin relaxation,the asymmetry of the doping position contributes to the asymmetry of potential energy structure,thus the built-in electric field which can induce the Rashba spin-orbit coupling to appear,and that the effective magneticfield induced by the Rashba spin-orbit coupling normal to the growth direction can lead to spin relaxation along the growth direction.Therefore,the D′yakonov-Perel′(DP)mechanism plays an important role in asymmetrical doping(110)GaAs/AlGaAs quantum wells.In the approximately symmetrical and completely asymmetrical doping(110)GaAs/AlGaAs quantum wells,the DP mechanism dominates the spin relaxation at low carrier density,thus the spin relaxation time increases with carrier density increasing due to the strengthening of the electron-electron scattering and the decreasing of the momentum relaxation time.However,at high carrier density,BAP mechanism plays an important role,thus the spin relaxation time decreases obviously with carrier density increrasing,but the decay rates in both of the quantum wells are slower than that in the casethat only BAP mechanism dominates,because both the DP and BAP mechanism play an important role.The strength of the Rashba spin-orbit coupling depends on the symmetry of the quantum well.The DP mechanism in a completely asymmetrical doping quantum well is stronger than that in an approximately symmetrical doping quantum wells,thus the decay rate in a completely asymmetrical doping quantum wells is always slower than that in an approximately symmetrical doping quantum wells,and the spin relaxation time in a completely asymmetrical doping quantum wells is shorter than that in an approximately symmetrical doping quantum wells.

circularly polarized pump-probe spectroscopy,electron spin relaxation,doping symmetry,

:68.65.Fg,72.25.Fe,72.25.Rb

10.7498/aps.66.046802

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：11504194,11274189)和青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目青年專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào)：14-2-4-101-jch)資助的課題.

?通信作者.E-mail：tenglihua80@163.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11504194,11274189)and the Scientific Development Project of Qingdao,China(Grant No.14-2-4-101-jch).

?Corresponding author.E-mail：tenglihua80@163.com