滕利華牟麗君

(青島科技大學物理系,山東省新型光電材料與技術工程實驗室,青島 266061)

摻雜對稱性對(110)晶向生長GaAs/AlGaAs量子阱中電子自旋弛豫動力學的影響?

滕利華?牟麗君

(青島科技大學物理系,山東省新型光電材料與技術工程實驗室,青島 266061)

(2016年1月1日收到;2016年10月10日收到修改稿)

采用時間分辨圓偏振光抽運-探測光譜,測量了(110)晶向生長的近似對稱和完全非對稱摻雜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間隨載流子濃度的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,且近似對稱摻雜GaAs量子阱中的電子自旋弛豫時間明顯大于完全非對稱摻雜量子阱.分析表明,在(110)晶向生長的GaAs量子阱中并非只有通常認為的Bir-Aronov-Pikus(BAP)機理起作用,在低載流子濃度區(qū)域,兩種量子阱中D′yakonov-Perel′(DP)機理起主導作用,高載流子濃度區(qū)域BAP機理和DP機理都起作用,完全非對稱摻雜的量子阱中DP機理強于近似對稱摻雜量子阱.

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

1 引 言

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

目前所研究的自旋電子學材料中,以量子阱材料為代表的異質結結構以其在自旋電子器件中的重要應用價值而備受關注.通常認為,在本征和n型摻雜的III-V族半導體量子阱中電子自旋弛豫的主要機理是DP機理[5,9,10].由結構的空間反演非對稱所導致的Rashba效應和晶格的空間反演非對稱所導致的Dresselhaus效應引起導帶電子態(tài)的自旋劈裂,該效應等價于晶體內(nèi)部存在一個有效磁場,從而引發(fā)和影響電子的自旋弛豫[10,11].在結構的空間反演對稱GaAs量子阱中,Dresselhaus效應起主導作用.如果量子阱生長方向沿(001)或(111)晶向,有效磁場在量子阱平面內(nèi),可以引起垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫;而對于(110)晶向生長的量子阱,有效磁場垂直于量子阱平面,因而Dresselhaus效應對垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫沒有貢獻.再加上Rashba效應在結構空間反演對稱GaAs量子阱中幾乎不起作用,通常認為D′yakonov-Perel′(DP)機理在(110)晶向生長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間非常長[10].Ohno等[12]在低溫下測得n型摻雜(110)晶向生長的GaAs量子阱中電子自旋弛豫時間在1 ns左右,摻雜濃度越低自旋弛豫時間越長,指出電子自旋弛豫的主要機理為電子-空穴散射引起的BAP機理;Eldrige等[13]測得常溫下(110)晶向生長的本征GaAs量子阱中電子自旋弛豫時間超過1 ns;V?lkl等[14]測得高遷移率(110)晶向生長的n型GaAs量子阱中電子自旋弛豫時間甚至可以超過16 ns,之前的研究結果普遍認為(110)晶向生長的GaAs量子阱中電子自旋弛豫的主要機理是Bir-Aronov-Pikus(BAP)機理[12,14].最近,Han等[15]分別測量了結構的空間反演對稱和非對稱(001)晶向生長n型摻雜GaAs量子阱中電子的自旋弛豫時間,發(fā)現(xiàn)由于非對稱量子阱中存在較強的Rashba效應,由此產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場會加速電子的自旋弛豫.對于(110)晶向生長的GaAs量子阱也應存在類似效應,那么結構的空間反演非對稱(110)晶向生長的GaAs量子阱中電子自旋弛豫的機理是否仍然是BAP機理起主導作用?電子的自旋弛豫是否存在DP機理和BAP機理相互競爭的現(xiàn)象?深入研究(110)晶向生長的GaAs量子阱中電子初始自旋弛豫動力學,既是加深對半導體自旋電子學物理基礎認識的需要,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型摻雜位置的對稱性而改變結構的空間反演對稱性和勢能結構的對稱性,測量了摻雜位置近似對稱和完全非對稱(110)晶向生長的GaAs量子阱中的電子自旋弛豫時間,發(fā)現(xiàn)低載流子濃度區(qū)域DP機理起主導作用,高載流子濃度區(qū)域BAP機理和DP機理都起作用,完全非對稱摻雜的量子阱中DP機理強于近似對稱摻雜量子阱.

2 實驗及結果

實驗采用的樣品如圖1所示,樣品A和B均由沿著(110)晶向生長的10個周期的GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱組成,每個勢壘層均含有n型的Si調制摻雜層.其中,樣品A除第1個量子阱以外,摻雜層的位置關于其余9個周期的量子阱對稱,樣品B中Si摻雜層的位置關于10個周期的量子阱都是非對稱的,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阱層和勢壘層的厚度如圖1所示.

由自鎖模鈦寶石激光器輸出的脈寬100 fs,中心波長850 nm,重復率82 MHz的激光脈沖列通過一個標準的抽運-探測裝置[16,17],輸出的抽運/探測光強比為5/1,在抽運光束中置一個1/2波片,分別控制抽運光束與探測光束為平行和正交線偏振,進而通過1/4波片分別產(chǎn)生同旋向和反旋向圓偏振抽運和探測光.抽運和探測光由一個焦距為50 mm的透鏡聚焦于樣品的同一點上,聚焦光斑的直徑約為30μm.透過樣品的圓偏振探測光的強度變化由光電管轉換為電流,并由鎖相放大器檢測.一個連續(xù)可調衰減片用于控制輸入光功率,達到改變激發(fā)載流子濃度的目的,實驗中入射到樣品的抽運光功率控制在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)計算[5],其中R和α分別為反射比和吸收比,E為抽運光的單脈沖能量,hν為光子能量,S為抽運光斑面積.

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

在摻雜位置近似對稱和完全非對稱量子阱A和B中,分別測量了不同光激發(fā)載流子濃度N下圓偏振光抽運-探測的歸一化飽和透射強度變化隨延遲時間的掃描曲線.其中量子阱A和B中測得的兩組典型曲線分別如圖2(a)和圖2(b)所示,紅色實線(σ+,σ+)和黑色實線(σ+,σ-)分別表示同旋向和反旋向圓偏振光抽運-探測曲線.飽和透射強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間和電子壽命,t為延遲時間,(ΔT/T)+和(ΔT/T)-分別表示同旋向和反旋向圓偏振光抽運-探測透射變化,綠色實線為利用飽和透射強度變化的理論模型擬合得到的曲線.實驗結果顯示,一定時間延遲后(σ+,σ+)和(σ+,σ-)趨于重合,自旋弛豫趨于結束.在量子阱A和B中,隨載流子濃度的增大,(σ+,σ+)和(σ+,σ-)曲線的重合點都先向后移動,再向前移動,說明電子自旋弛豫時間隨載流子濃度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)摻雜位置近似對稱(a)和完全非對稱(b)量子阱中的歸一化飽和透射強度變化 紅色和黑色實線為同向和反向圓偏振光抽運-探測得到的飽和透射強度變化曲線,綠色實線為理論擬合曲線;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 自旋弛豫機理討論

利用飽和透射強度變化的理論模型擬合實驗曲線得到電子自旋弛豫時間隨載流子濃度的關系如圖3所示,紅色圓點和黑色方形點分別為近似對稱摻雜的量子阱A和完全非對稱摻雜量子阱B中測得的自旋弛豫時間τsA和τsB.為了便于比較,我們同時測量了11個周期(001)晶向生長的本征GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱C的電子自旋弛豫時間τsC,如圖3中綠色三角形點所示,該量子阱勢阱和勢壘層的厚度分別為10 nm和6 nm,結果顯示在我們所測量的濃度范圍內(nèi)始終存在τsA＞τsB的關系.對于(001)晶向生長的本征GaAs量子阱C,DP機理是電子自旋弛豫的主要機理,BAP機理幾乎不起作用,因而在非簡并的低載流子濃度區(qū),隨載流子濃度的增大,動量散射增強,散射時間減小,電子自旋弛豫時間增大[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),在近似對稱摻雜的量子阱A和完全非對稱摻雜的量子阱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的電子-電子散射,隨載流子濃度的增大,電子-電子散射增強,動量弛豫時間減小,電子自旋弛豫時間τsA和τsB均增大.由于BAP機理指出,電子自旋弛豫時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機理為DP機理.而在量子阱中DP機理是各向異性的,對于(001)晶向生長的量子阱C,由Dresselhaus自旋軌道耦合產(chǎn)生的有效磁場在量子阱平面內(nèi),垂直于量子阱平面方向的自旋極化將會感受到面內(nèi)的隨機磁場而進動,從而導致垂直于量子阱平面方向的自旋弛豫[10],但對于(110)晶向生長的量子阱,有效磁場垂直于量子阱平面,Dresselhaus效應對垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫沒有貢獻,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)有效磁場導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中電子自旋弛豫時間與載流子濃度的關系.Fig.3.(color online)Photocreated carrier density dependence of electron spin relaxation time in quantum wells A,B and C.

摻雜近似對稱和完全非對稱的量子阱A和B中,分別具有近似對稱的勢能結構和完全非對稱的勢能結構.非對稱的勢能結構會引起強的內(nèi)建電場,從而導致由Rashba自旋軌道耦合所產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場,該有效磁場能對垂直于量子阱平面方向的自旋極化產(chǎn)生作用,使其進行Larmor進動,導致自旋弛豫.因此,量子阱中勢能結構的非對稱性引起的Rashba自旋軌道耦合導致τsB明顯小于τsA.我們的實驗結果表明,通過改變摻雜位置的對稱性改變量子阱的勢能結構,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理為DP機理,且非對稱性越強,Rashba效應越強,DP機理越明顯,自旋弛豫時間越短;反之,自旋弛豫時間越長.

當載流子濃度分別高于2.1×1011cm-2和2.7×1011cm-2時,在量子阱A和B中,電子自旋弛豫時間均隨載流子濃度的增大而迅速減小,此時載流子濃度遠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,正如之前所報導的,BAP機理開始起重要作用[12,14].然而,此時DP機理是否仍起作用?如圖3中藍色和紅色實線所示,我們擬合發(fā)現(xiàn)量子阱A和B中測得的電子自旋弛豫時間與載流子濃度之間分別服從τs=aN-0.62和τs=bN-0.38的關系,而BAP機理指出電子自旋弛豫時間τs與N-1之間成正比[13],顯然我們測得的量子阱A和B中的電子自旋弛豫時間隨載流子濃度的衰減速率均小于只有BAP機理作用的情況,原因是DP機理在該濃度區(qū)也起作用.正如量子阱C中的測量結果顯示,在載流子濃度較高的簡并區(qū),電子自旋弛豫的主要機理仍為DP機理,且由于非均勻擴展對電子自旋弛豫的加速作用,致使電子自旋弛豫時間不再增大甚至有略微減小的趨勢[5],但DP機理作用下的電子自旋弛豫時間隨載流子濃度的衰減速率遠小于BAP機理,所以在DP機理也起作用的情況下,量子阱A和B中的電子自旋弛豫時間隨載流子濃度的衰減速率均小于只有BAP機理作用的情況.

正是由于DP機理在量子阱A和B的高濃度區(qū)也起作用,完全非對稱摻雜的量子阱B中Rashba效應強于近似對稱摻雜的量子阱A,DP機理更強,而兩種材料中BAP機理強度差別不大,因此,τsB明顯小于τsA.另外,自旋弛豫時間隨載流子濃度的衰減速率取決于BAP機理和DP機理的相對強度,完全非對稱量子阱B中電子自旋弛豫時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機理的作用強于量子阱A.

4 結 論

通過測量摻雜近似對稱和完全非對稱GaAs/AlGaAs量子阱中電子自旋弛豫時間的載流子濃度依賴關系,發(fā)現(xiàn)在(110)晶向生長的GaAs量子阱中并非只有BAP機理起作用,在低載流子濃度區(qū)域,兩種量子阱材料中DP機理起主導作用,高載流子濃度區(qū)域BAP機理和DP機理都起作用.摻雜位置的不對稱導致勢能結構的不對稱,從而引起內(nèi)建電場的產(chǎn)生,進而引起由Rashba自旋軌道耦合所產(chǎn)生的面內(nèi)有效磁場,最終引起垂直于量子阱平面方向的電子自旋弛豫,因而完全非對稱摻雜的量子阱中DP機理強于近似對稱摻雜量子阱,而兩種材料中BAP機理強度差別不大,因此在整個濃度范圍內(nèi)完全非對稱摻雜的量子阱中的電子自旋弛豫時間都小于近似對稱摻雜量子阱.

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GaAs/AlGaAs quantum wells

PACS:68.65.Fg,72.25.Fe,72.25.Rb DOI:10.7498/aps.66.046802

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

?國家自然科學基金(批準號：11504194,11274189)和青島市應用基礎研究計劃項目青年專項(批準號：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