Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Коэффициент спин-орбитального взаимодействия а, пропорционален напряженности встроенного поверхностного электрического поля Е,„о. Так как приведенное выражение было впервые получено Рашбой, то спин-орбитальный гамильтониан Н обычно называют гамильтонианом Рашбы, а а, — постоянной Рашбы. Полный Е. зт. Раизоа, Свойства полупроводников с петлевыми экстремумами, Фт з 2(6), 1224-1238 (1960). 887 3.3. Спин-ваяисииыйт непа т носителей за яда эффективный гамильтониан со спин-орбитальным слагаемым имеет вил: Вг/ г Н= +а,(ох1!) к.
2лг (3.3.20) При этом энергия электрона зависит от абсолютной величины параллельной поверхности составляющей его импульса )с как Вг1сг Е(/с) = + а,)Ь. 2т Таблица 3. 7. Коэффициенты енин-орбитаиыюво взаимодействие о ЭВ смио Большая величина а, для квантовых колодцев 1пАв обусловлена бо- лее сильным спин-орбитальным взаимодействием и (или) увеличе- нием я-фактора за счет суммирования вкладов от эффектов, влияющих на эту величину при измерении. '" Х в.ио, Н.
Минейага, Р. Раню Р. Х алтея, Вбеси о( гпчегв!оп мупппепу оп е!европ епегау Ьвпд в!пгсштв !и СаБЬ/!пАв:СаБЬ Чиппипп чге(В, Раув. Кеч. В 41(11), 7685-7693 (1990). Важная особенность такой дисперсионной зависимости состоит в том, что при гс = 0 электронные состояния вырождены по спину и спиновое расщепление увеличивается линейно с ростом )с. В двумерных дырочных системах вызванная спиновым расщеплением асимметрия закона дисперсии значительно отличается от таковой в зоне проводимости. Если синновое расщепление Рашбы электронных состояний увеличивается линейно с ростом Тс, то спиновое расщепление состояний тяжелых дырок может быть третьего порядка по /с, так что при небольших концентрациях дырок их спиновое расщепление становится незначительным. Коэффициенты спнн-орбитального взаимодействия, полученные при исследовании эффекта Шубникова — де Гааза (ЯшЬпгйоч-де Нааз ейесс), приведены в табл.
3.1. 288 Глава 3. Перенос носителей за ила в низко азнерных структурах... При оценке роли квантового ограничения в спиновом расщеплении следует помнить, что в двумерной структуре, подобной квантовому колодцу, электроны могут свободно двигаться только вдоль плоскости стенок колодца, а перпендикулярная плоскости компонента их волнового вектора lс, квантуется в единицах и/й„где И,— ширина колодца.
Если квантовый колодец достаточно узкий, так что абсолютная величина волнового вектора в плоскости орбиты /с < н/Ис то спиновое расщепление, вызванное объемной асимметрией, будет доминирующим из-за преобладания члена ЬЕ „- (н/Ы,)т/с. Таким образом, спиновое расщепление, возникшее в результате объемной инверсной асимметрии, может быть усилено квантовым ограничением, вклад которого явно зависит от ширины колодца. Спиновое расщепление в отсутствие магнитного поля проявляется слабее, чем расщепление за счет эффекта Зеемана. Однако оно является предметом значительного интереса, поскольку зависит от деталей зонной структуры, которая важна и для фундаментальных исследований, и для разработки электронных приборов. З.З.З.З. Инжекцня нсснтелей заряда с определенным сенном Спин-поляризованные электроны могут быть введены в полупроводник двумя принципиально различными способами.
Один из них — это оптическая накачка полупроводника светом с круговой поляризацией. Другой же предполагает электрическую инжекцию спин-поляризованных электронов через твердотельный контакт. Оптическая накачка может быть реализована в полупроводниках со спиновым расщеплением зоны проводимости и валентной зоны, таких как ОаАз. Кроме того, этот подход не имеет реальных перспектив для разработки приборов из-за его очевидных ограничений в плане интегрального исполнения. Альтернативный способ введения спин-поляризованных электронов в полупроводники — это их инжекция.
Такой подход легче реализовать в рамках общепринятой стратегии изготовления интегральных полупроводниковых приборов. Именно его мы и рассмотрим. Ориентация спина электрона, инжектированного с магнитной поверхности в вакуум, остается такой же, какая была у него в приповерхностной области. Это справедливо и для инжекции в твердотельных структурах, но лишь до тех пор, пока рассеяние электронов на межфазной границе остается незначительным. Инжектируюшие контакты, сформированные из пар ферромагнитный металл/полупроводник, имеют довольно низкую эффективность спи новой поляризации, что обусловлено значительным рассеянием носителей на границе раздела и несоответствием величин 289 3.3.
Спин-за«псиный транспорт носителей зарнда проводимостей указанных материалов. Теоретически показано, что зти факторы приводят к существенной зависимости спин-инжектируюших свойств металлических контактов от величины контактного сопротивления. Без соответствуюшего потенциального барьера, отделяющего металлический ферромагнитный контакт от полупроводника, спиновая инжекция будет очень слабой. При тепловом равновесии спины электронов поляризованы в области контакта, а не в полупроводнике. Для эффективной спиновой инжекции система должна быть выведена из равновесия электрическим полем таким образом, чтобы инжектируемые в полупроводник электроны были спин-поляризованными.
Ограничивающими факторами при эюм являются высокая удельная злектропроводность материала контакта и сравнительно короткая длина спиновой диффузии в нем. Поэтому металлические ферромагнитные инжектирующие контакты, непосредственно нанесенные на полупроводники, имеют крайне незначительные перспективы для практических приложений. Спиновые инжекторы, в которых используются слаболегированные магнитные полупроводники на основе Упбе, обычно свободны от упомянутых ограничений.
Постоянные кристаллической решетки контактирующих материалов можно сделать соизмеримыми, замещая атомы цинка атомами примеси, имеющими больший или меньший размер. Это обеспечивает высокое качество границ раздела в гетероструктурах, изготовленных путем эпитаксии. Тип основных носителей заряда в полупроводнике, удельное сопротивление и контактная разность потенциалов могут изменяться за счет добавления соответствуюших легирующих примесей. Гигантское расщепление Зеемана краев зоны связанных состояний, индуцированное в этих магнитных полупроводниках внешним магнитным полем, используется для того, чтобы разместить все инжектированные электроны на энергетически предпочтительном (более низком) уровне Зеемана.
Впоследствии эти спин-поляризованные электроны непосредственно инжектируются в немагнитный полупроводник (например, в ОаАз). Кроме того, функцию инжектора может выполнять двухбарьерный резонансно-туннельный диод, например ВеТе/УпМпбе/ВеТе. В такой структуре барьеры из ВеТе и колодцы из УпМпбе «отбирают» спин-поляризованные электроны для их дальнейшей инжекции в ОаАз.
При температуре жидкого гелия эффективность инжекции в А2ОаАз из спиновых инжекторов на основе ХпМпЬе и ХпВеМпЯе достигает 80 — 90%. Но с ростом температуры она быстро падает до нуля. Таким образом, нужно иметь в виду, что использование гигантского расшепления Зеемана в слабо легированных магнитных полупроводниках на основе Хпбе 10 †16 290 Г л а в а 3 . Перенос носителей заряда в низкоразмерных структурах... ограничено областью криогенных температур.
Его целесообразно применять для изучения фундаментальных эффектов в спинтронных структурах. При туннелировании электронов через потенциальный барьер их спин обычно сохраняется. Это используется для согласования с полупроводниками ферромагнитных металлов и сплавов, имеющих высокую спиновую поляризацию электронов. Туннельные барьеры при этом формируют из пленок МдО, АззОз нанометровой толшины. Сообщалось также, что эффективную спиновую инжекцию обеспечивают низкоразмерные структуры. Было показано: электронный газ в квазиодномерных каналах при низкой концентрации электронов становится ферромагнитным из-за ориентации спинов электронов в одном направлении.
Это можно попытаться использовать для спиновой инжекции. Для выяснения реальных возможностей наноструктур как эффективных спиновых инжекторов и спиновых фильтров необходимы, однако, дальнейшие исследования. 3.3.3.3. Перенос спин-полярнзовенных носителей зврялл Сохранение спина электрона при его переносе через полупроводник является принципиальным требованием для всех спинтронных приборов. Очень важно знать, можно ли передавать спиновую информацию на макроскопические расстояния в сильных электрических полях. Исключая баллистический транспорт, мы сосредоточим наше внимание на структурах с преимущественно диффузионным характером переноса, когда электроны испытывают множественные столкновения. Все причины изменения направления спина электрона в полупроводниках пока окончательно не ясны, но некоторые механизмы уже установлены.
Вклад каждого из них зависит от многих факторов, таких как материал полупроводника, тип и концентрация носителей заряда, время релаксации их импульса, температура и пр. Один из важных механизмов спиновой релаксации — механизм Бира-Аронова — Пикуса (В(Г-Аюпоу-РЖиз тес7(ап(зт)'вз. В его основе лежат процессы обменного взаимодействия между электронами и дырками и их рекомбинации, приводящие к флуктуациям локального магнитного поля и «переключению» спина Г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
