Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости

Васильев, Дмитрий Александрович

Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Васильев, Дмитрий Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости»

Автореферат диссертации на тему "Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости"

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Дмитрий Александрович

Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны

проводимости

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ии346 1СШ2

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -2008

003461062

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего и профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук, профессор

Мамаев Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

Кусраев Юрий Георгиевич

Кандидат физико-математических наук, Ершов Сергей Гениевич

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный Педагогический

Университет им. Герцена

Защита состоится "18" февраля 2009 г. в 16 ч.ОО мин. на заседании диссертационного совета Д212.229.29 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, II уч. корп. ауд. 265

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет». Автореферат разослан " ¿Ой^ р _

Ученый секретарь

Диссертационного Совета « I

кандидат физико-математических наук, . -

Ермакова Н.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пучки поляризованных электронов (ПЭ) широко используются в последнее десятилетие для изучения спин-зависящей структуры нуклонов и параметров слабых нейтральных токов, магнетизма поверхности и тонких пленок, электронной структуры поверхности металлов, полупроводников и тонких пленок [1].

Пучки с наибольшей из возможных поляризацией (Р) играют кардинальную роль для существенного расширения физических возможностей коллайдеров. Крупнейшие из ныне действующих электронных ускорителей работают с пучками поляризованных по спину электронов: МАМ! (Mainz Microtron, Mainz, Germany) и CEBAF (Thomas Jefferson National Laboratory, Newport News, USA) [2,3]. Суперускоритель, рассчитанный на энергию столкновения 1000 ГэВ, (International Linear Collider - 1LC) также планируется для проведения экспериментов по столкновению пучков поляризованных электронов с пучками поляризованных позитронов. Главной причиной эффективности пучков поляризованных электронов при энергиях > Mz является то, что электроны правой спиральности уже не участвуют в слабом взаимодействии, а электроны левой спиральности участвуют. Выбором только желаемых для взаимодействия частиц можно существенно увеличить эффективность ускорителей.

Совершенствование информационных технологий требует увеличения плотности магнитной записи. В связи с этим свойства поверхности и границ раздела в скором времени будут определять магнитные свойства носителей информации. Методы спектроскопии поляризованных электронов весьма полезны для изучения таких свойств. Здесь следует отметить усиленно развивающийся метод спектроскопии поляризованных электронов малой энергии, позволяющий визуализировать динамические процессы на поверхности. Для проведения высококачественных исследований необходимы высокоэффективные источники поляризованных электронов (ИПЭ), наилучшим из которых является источник, основанный на фотоэмиссии из напряженных полупроводниковых гетероструктур.

Полупроводниковые приборы, основанные на поляризованных по спину носителях, представляют особый интерес для спинтроники. В последнее время для контроля эффективности инжекции поляризованных электронов из ферромагнитного слоя в полупроводник используется анализ поляризации излучения электролюминесценции. Использование оптимизированных наноструктур может обеспечить детектор поляризации с эффективностью 98%.

Во всех случаях для увеличения эффективности экспериментов необходимо улучшать параметры гетероструктур, что должно привести к увеличению степени поляризации, \Г-

квантового выхода в точке максимума поляризации и времени жизни фотоэмиттера.

Для достижения этой цели были разработаны и выращены фотокатоды на основе полупроводниковых соединений ОаЛ.я-ЛИпОаЛв без барьеров в зоне проводимости. Отсутствие барьеров в зоне проводимости позволяет эффективно улучшить параметры фотокатодов за счет того, что увеличивается подвижность электронов и уменьшается скорость спиновой релаксации поляризованных фотоэлектронов.

Целью работы является всестороннее исследование процессов спинового транспорта в структурах на основе сверхрешеток ОаАз-АНпОаЛя с минимальными разрывами зоны проводимости, а также оптимизация их состава для получения эмиттеров с высокой степенью поляризации и высоким квантовым выходом.

Научная новизна работы.

1. Впервые детально исследована фотоэмиссия поляризованных электронов из нового типа напряженных полупроводниковых сверхрешеток А1х[пуОа1.х_уА$/ОаА5 с минимальным разрывом зоны проводимости.

2. Впервые проведена количественная оценка потерь поляризации при нахождении электронов в области изгиба зон, на границе полупроводник-вакуум и при выходе в вакуум через активационный слой для полупроводниковых гетероструктур с приповерхностным слоем арсенида галлия.

3. Впервые показано, что достижение максимальной поляризации ограничивается как потерями поляризации при эмиссии электронов в вакуум, так и флуктуационным размытием краев валентной зоны.

Научная и практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют разрабатывать и выращивать сверхрешетки с высокими параметрами, на основе которых могут быть созданы эффективные источники поляризованных электронов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны, изготовлены и исследованы фотокатоды нового типа на основе ¡пАЮаАв-ваАБ сверхрешеток с напряженными барьерами валентной зоны и с минимальными разрывами края зоны проводимости.

2. Методом совместного анализа спектров поляризации и квантового выхода определены параметры гетероструктур и процесса фотоэмиссии электронов.

3. Достижение максимальной поляризации ограничивается флуктуационным размытием краев валентной зоны.

4. Рекордные значения поляризации фотоэмиссии Р„,ах =91% при квантовом выходе 0.14% позволяют говорить о перспективности использования разработанных гетероструктур для создания эффективных источников поляризованных электронов.

Апробация результатов работы. Основные результаты данной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Xlth International Workshop on Polarized Sources and Targets (Tokyo, Japan, 2005), X Всероссийская конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, Россия, 2006), международном симпозиуме «Nanostructure: Physics and Technology» (Новосибирск, Россия, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 101 страницу машинописного текста, 35 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 61 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы. Представлены основные результаты и положения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание разделов диссертации.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В ней рассмотрены основные понятия, связанные с поляризацией, применение пучков поляризованных электронов на электрон-позитронных коллайдерах, принципы возникновения оптической ориентации в полупроводниковых кристаллах группы А3В5 и создание отрицательного электронного сродства на поверхности катода. Далее рассматривается фотоэмиссия поляризованных электронов из сверхрешеток. Приведены результаты теоретических расчётов скорости деполяризации электронов для различных механизмов спиновой релаксации. В первом параграфе диссертации даются основные понятия, связанные с поляризацией. Во втором параграфе рассмотрено применение пучков поляризованных по спину электронов в электрон-позитронных коллайдерах. Сделаны выводы о важности поляризованных электронов в экспериментах на ускорителях элементарных частиц. В третьем параграфе рассмотрено возникновение оптической ориентации в кристаллах GaAs при облучении его циркулярно-поляризованным светом. В четвертом параграфе рассмотрены сверхрешетки. В них в результате формирования минизон легких и тяжелых дырок, при энергии, близкой к пороговой, оказываются возможными переходы только из первой минизоны тяжелых дырок

и, соответственно, создание в зоне проводимости электронов с поляризацией около 100%. Пятый параграф посвящен описанию создания состояния с отрицательным электронным сродством на поверхности полупроводникового катода, а также методам модификации процесса активировки для увеличения времени жизни фотокатода. В шестом параграфе подробно рассмотрены различные механизмы спиновой релаксации в соединениях группы А3В5. Приведены результаты теоретических расчётов времени спиновой релаксации для различных механизмов.

Во второй главе описывается автоматизированный комплекс для исследования фотоэмиссии поляризованных электронов. Главными особенностями данного комплекса являются: полное компьютерное управление процессом измерения, шлюзовая система для загрузки образцов и криостат, позволяющий изменять температуру образца в процессе измерения. Конструктивно он состоит из двухкамерной вакуумной установки, источника циркулярно поляризованного света, детектора поляризации и блока компьютерного управления.

Первый параграф второй главы посвящен вакуумной установке, которая включает в себя две основные камеры - камеру обработки образцов и камеру детектора поляризации, шлюзовую систему, а также системы откачки и электронной оптики. В первой камере происходит создание поляризованных фотоэлектронов, включая предварительную обработку образца, во второй камере - измерение величины степени спиновой поляризации электронов.

Во втором параграфе рассмотрена многоступенчатая система откачки. Она обеспечивает вакуум не хуже МО'" торр.

В третьем параграфе описана оптическая система, которая создает циркулярно поляризованный свет с величиной степени поляризации не менее 98% и обеспечивает инверсию направления вектора поляризации с частотой около 31 кГц. Свет ксеноновой лампы ДКСШ-200, сфокусированный конденсором, проходит через сменный оптический фильтр, монохроматор SOLAR ML100, систему формирования циркулярно поляризованного света и попадает на исследуемый образец. Размер светового пятна на поверхности эмиттера составляет порядка 2.5x1 мм. Монохроматор снабжен блоком управления, который связан с компьютером через последовательный порт по интерфейсу RS232. Программно возможно перестраивать длину волны в пределах 360-1200 нм с минимальным шагом 0,03 нм. Для подавления фона и предотвращения прохождения волн второго порядка дифракции использовалось восемь светофильтров.

После монохроматора расположена призма Глана-Томпсона, которая вместе с фотоупругим модулятором используется для создания циркулярно поляризованного света.

Перед входом в вакуумную камеру расположена диафрагма, которая регулирует интенсивность светового потока на образец. Размер отверстия диафрагмы контролируется компьютером.

В третьей главе представлены результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из фотокатодов на основе сверхрешеток (пЛЮаЛв-СаАз с минимальными разрывами зоны проводимости. Изучение свойств коротко-периодных напряженных сверхрешеток и развитие технологии их выращивания, достигнутое в последнее десятилетие, позволило создать на их основе фотокатоды с рекордными значениями поляризации фотоэмиссии Р к 90%. Были разработаны фотокатоды на основе ОаАв/ОаАвР [4] и 1пОаЛ5/ОаЛЬ\5 [5] сверхрешеток с напряженными квантовыми ямами и так называемые компенсированные сверхрешетки на основе АНпОаА5/'ОаА5Р с противоположной деформацией в ямах и барьерах [6]. Вместе с достигнутым прогрессом по сравнению с напряженными слоями проведенные исследования выявили и принципиальные трудности в создании сверхрешеток с рекордными характеристиками. Величина расщепления валентной зоны в сверхрешетке Д£у, и, не может превышать разрывов краев валентной зоны. Поэтому для создания значительного расщепления АЕ^-ш =¡100 мэВ необходимо использовать еверхрешетки с большими скачками краев зон на гетерограницах. Обычно, возникающие при этом высокие, в сотни мэВ, барьеры в зоне проводимости затрудняют транспорт фотоэлектронов к поверхности фотокатода. Низкая подвижность электронов вдоль оси сверхрешетки снижает величину квантового выхода и поляризации. Последнее связано с частичной потерей спиновой ориентации электронами во время их транспорта к поверхности за счет процессов спиновой релаксации. В дополнение к увеличению транспортного времени и, соответственно, спиновых потерь, высокие барьеры в зоне проводимости увеличивают скорость спиновой релаксации вследствие большой энергии размерного квантования электронов за счет механизма Дьяконова - Переля.

Барьеры в зоне проводимости удается минимизировать в сверхрешетке на основе полупроводникового соединения ОаАв/АИпОаАв. Путем подбора состава четырехкомпонентного соединения АИпОаАв оказывается возможным создать сверхрешетку с практически нулевыми разрывами зоны проводимости. При этом структура валентной зоны позволяет получить значения расщепления ДЕы,-ш до 70 мэВ. В результате на фотокатодах на основе сверхрешеток с минимальными разрывами зоны проводимости была достигнута рекордная величина поляризации электронной эмиссии Р- 91%. Первый параграф посвящен

структуре и технологии изготовления фотокатодов. Типичная структура фотокатодов изображена на Рисунке 1.

Состав Толщина Легирование

NN кппнпшм с юй

ваЛв Квантовая яма 6 нм 7 •1018см"3(Ве)

1пдА1,,Оа1-^Аз Сверхрешетка 30-40 нм 4 •1017см"3 (Ве)

ваАв 11-15 нм

Alo.35Gao.65As Буфер 0.3-1.4 мкм 6 10,8см"3 (Ве)

(«Ах (100] мил км:кп, р-пп;

Рисунок 1. Состав типичного образца.

Выбор состава и толщин слоев сверхрешеток определялся из соображений получения максимального для данной концентрации 1п расщепления подзон тяжелых и легких дырок при минимальных разрывах края зоны проводимости и отсутствии деформационной релаксации. Содержание 1п понижает край зоны проводимости по сравнению с ОаАя, в то время как А1 ее повышает. Поэтому для каждой концентрации 1п, х, можно подобрать такую концентрацию А1, у, что край зоны проводимости не будет испытывать скачков на гетерогранице СаА5/1пАА1,.Оа]-Л-,А5. Согласно проведенным расчетам с использованием параметров полупроводниковых материалов из [7], для достижения нулевых разрывов края зоны проводимости в указанном диапазоне концентраций 1п необходимо соблюдать соотношение у ~ х + 0.03. При этом ширина запрещенной зоны слоя 1п,А1>Са|.(.1А5 оказывается больше чем в слое ваЛв. Таким образом, ненапряженные слои СаАй представляют собой ямы, а напряженные слои I Пд: А^Оа 1 -Л ->• А в - барьеры для движения дырок.

Вследствие расщепления валентной зоны ГпдА^Оа^Аз высота барьеров и, следовательно, глубина йаАв ям, оказывается для тяжелых дырок меньше чем для легких. Это уменьшает энергию размерного квантования тяжелых дырок и увеличивает энергию размерного квантования легких дырок. В результате деформация ¡ПдА^Оа^Ав барьера увеличивает расстояние между верхними уровнями размерного квантования легких (/Л 1) и тяжелых (ЛА1) дырок, т.е. энергию расщепления ДЕм-ш- Выбор толщин ям (толщина слоя ваАБ на рисунке 1) и барьеров (толщина слоя [ПлА^Оам^Ав на рисунке 1) есть результат компромисса между желанием достичь максимального значения ЬЕ^ь-т и получить сверхрешетку без дислокаций и структурных дефектов.

Все образцы изготавливались методом молекулярно-пучковой эпитаксии в установке

ШВЕЯ 32Р. Скорости роста предварительно калибровались путем анализа спектра фотолюминесценция тестового образца, выращиваемого перед исследуемой серией структур. Кроме того, для контроля использовался рентгеноструктурный анализ. Во втором параграфе представлены экспериментальные данные, полученные для исследовавшихся образцов -спектральные зависимости поляризации и квантового выхода от длины волны возбуждающего света.

На рисунке 2 представлены экспериментальные результаты для одного из образцов серии 5-777.

о.

к ц

о с

1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 Энергия Фотонов, эВ

Рисунок 2. Спектральные зависимости степени поляризации и квантового выхода для образца 5-777. Пустые кружки - квантовый выход, закрашенные - степень поляризации.

Третий параграф посвящен анализу полученных данных. Для анализа полученных результатов были рассчитаны коэффициенты поглощения света а^(Ьси),а1(Нео) в сверхрешетках при оптических переходах в электронные состояния с разной проекцией спина на направление оси гетероструктуры. Расчет проводился методом плавных огибающих в рамках многозонной модели Кейна, включающей зоны проводимости, подзоны легких и тяжелых дырок, а также отщепленную спин-орбитальную подзону. Полученные зависимости коэффициентов поглощения от частоты света позволяют определить начальную поляризацию электронов в зоне проводимости как функцию энергии фотона. Поляризация

фотоэмиссии Р оказывается меньше начальной поляризации фотоэлектронов Р0 вследствие процессов спиновой релаксации при движении электронов к поверхности фотокатода, нахождения в зоне приповерхностного изгиба зон и выхода в вакуум:

Р(Ясо) = Р0(Яю)Б1т,/(г1+т,). (1)

Множитель В, обозначает вероятность сохранения спина для электрона при выходе в вакуум из области объемного заряда, т, и г, - время спиновой релаксации и время транспорта электронов из сверхрешетки в зону приповерхностного изгиба зон. Потери спиновой ориентации при эмиссии из области объемного заряда составляют 5% т.е. 5,=0.95. [8] Множитель гД г, + г,) описывает потери поляризации при транспорте электронов из гетероструктуры в область объемного заряда. В силу высокой подвижности электронов в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости транспортное время полностью определяется скоростью в поверхностной рекомбинации на границе области объемного заряда. В силу того, что разрывы зоны проводимости незначительны, для оценки времени спиновой релаксации использовались данные для объемного ОаАз [9]. При комнатной температуре и уровне легирования 4 -1017 см"3 время спиновой релаксации равно т, = 7 10"" сек, причем основной вклад в спиновую релаксацию вносит механизм деполяризации Дьяконова - Переля. Таким образом, потери поляризации при транспорте в рассматриваемых структурах составляют около 1%.

На Рисунке 3 проведено сравнение экспериментальных спектров К(й со) квантового выхода и поляризации Рфсо) для образца 6-330 с результатами расчетов. Вертикальные линии отмечают положение краев поглощения для переходов из минизон тяжелых и легких дырок в зону проводимости, Ик 1 -е 1 и 1к\-е\ соответственно. С их помощью легко понять поведение спектров У(Исо) и Рфсо). Максимальная поляризация возникает на краю поглощения из минизоны тяжелых дырок, где влияние переходов из минизоны легких дырок //)\-е\ минимально. На Рисунке 3 видно, что положение края поглощения Мг\-е\ совпадает с положением максимума Рфа), а также с положением пороговой особенности в зависимости У(й<»). С увеличением энергии фотона поляризация фотоэлектронов падает за счет оптических переходов из состояний легких дырок. Область наиболее резкого спада поляризации совпадает с порогом переходов 1И\-е\. Вследствие уширения дырочных уровней эти переходы вносят свой вклад в фотопоглощение и при меньших энергиях, ограничивая тем самым максимальное значение начальной поляризации Ро(й®)- На Рисунке 3 штриховая и пунктирные линии показывают зависимость Л>(Йга), рассчитанную для двух различных значений уширения дырочного спектра у = 10 мэВ и у - 30 мэВ. Видно, что

увеличение у уменьшает значение начальной поляризации электронов Ро в точке максимума на 10%.

10' 10° * Ю"1

ю-2

гЗ

10"

го ю

си |и

п / 1-1 ' » > ..... 1 |-| , 1 1-1-т | 1 I 100

г / / ! ч> • *♦.. \ V 90

! • л / . 1 \ \

г / ! Г / / 17 Лг |\\ -•-1 80

/ Фф/ 1 1 —0—2

г •1/ У ж у ' \\ \ * 1 .....3 70

г 1 сг 1 -М * 1 9 1 1 (Ж 1 IV Л* IV .........4 60

Л сг ' Таг ' -5

Г С Лж 1 нК 1 I ' 1 |\\ Л - 50

1 / 1 М1-е1 ___ ; 40

1 1 г 1 ;30

Г 1 1 / , . . . . . 1 . . . 1 . . . . . 1 . . 20

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

Энергия фотонов, эВ

Рисунок 3. Спектры степени поляризации и кваитового выхода для образца 6330. Экспериментальные результаты: 1 - степень поляризации, 2 - квантовый выход; расчет: 3 — у = <5= 10 мэВ, 4 - у - 3 = 30 мэВ, 5 - у = д = 30 мэВ с учетом фактора В.

Другим параметром, существенным для поведения спектра поглощения вблизи края Ь(о = Е,л, является длина хвостов дырочных состояний в запрещенной зоне <5, т.е. величина размытия края поглощения. Этот параметр в большей степени влияет на зависимость Уфа) ниже порога поглощения (см. Рисунок 3).

Параметр размытия края поглощения 3 = ЗОмэВ находится из сравнения поведения Уфа) с убыванием наблюдаемого квантового выхода ниже порога поглощения. И, наконец, значение уширения дырочного спектра для данного образца у = 30 мэВ мы находим из сравнения Рфа) с экспериментальными данными в области максимума. Найденное значение у соответствует ширине пика фотолюминесценции сверхрешетки, измеренной при

температуре Т = 77 К. Сравнительно большие значения у и <5 обусловлены флуктуациями состава гетерослоев. Для данного образца это приводит к 9% потери начальной поляризации фотоэлектронов, что почти в два раза превосходит 5% потери поляризации при эмиссии из области объемного заряда.

2 о

т о

ш о

о с

ш =г

-8-

€■ о о

• 1 ' 1 ■ 1 ' ■ ' 1 1 ■ ■ ■ ■ 1 1 ■

О 2 ••

-о

у* ••

---4

/ •

- * • О

|1М-е1 1М-е1 У О

о-»

• / О »о'о

ОоЗ«*1 О *

о>

00^

0 *

о/

............. ■

О 1,4

1,5 1,6 1,7 1,8 Энергия фотонов, эВ

Рисунок 4. Спектральные зависимости коэффициентов поглощения света а^фсо) - 1 - эксперимент, 3 - расчет; аДйа)) - 2 - эксперимент, 4 - расчет для образца 6-330.

Характерной энергией размерного квантования электронов для гетероструктур с небольшими барьерами можно считать энергию равную Ь27г2 /2т//2, где те - эффективная масса электрона. Для рассматриваемых сверхрешеток она оказывается порядка 200 мэВ, что намного превышает высоты барьеров для всех образцов.

Поэтому размерное квантование в зоне проводимости практически отсутствует. Для того чтобы это проконтролировать, были построены спектральные зависимости коэффициентов поглощения света ат (йй>), а1 (Рки) (рисунок 4).

В силу отсутствия размерного квантования, плотность состояний в зоне проводимости зависит от энергии электрона так же, как и в объемном материале х(Е-Ес)'п. Соответственно, коэффициенты поглощения имеют корневую зависимость от энергии

фотона, что подтверждается Рис. 4. На этом рисунке также хорошо видно размытие корневой пороговой особенности в зависимостях аг(Ьы), а1(Нсо), вызванной уширением спектра сверхрешетки и размытием края валентной зоны.

В Таблице 1 приведена сводка данных для всех образцов: значения максимальной поляризации Ртт и квантового выхода У(ксо,шя.) в этой точке, а также параметров у, д, и В.

Таблица 1. Величины разрывов краев зон проводимости, ис запрещенной зоны СР, Ее, и расщеплении уровней легких и тяжелых дырок ДЕш-т', положение Л®,1а, и высота Рт,х максимума поляризации а также значение квантового выхода в этой точке 1"(Лед,,а<); параметры у, & н В для всех образцов.

Образец ис А Ешь ЙСЦцах ^шах У(Ь(Цп ах) У 8 В

мэВ мэВ эВ мэВ % % мэВ мэВ

5-777 -3 60 1.471 1.485 91 0.14 17 25 0.028

6-296 -43 59 1.426 1.432 86 0.05 30 25 0.014

6-330 -8 77 1.482 1.494 88 0.57 30 30 0.089

6-405 19 76 1.51 1.521 89 0.5 30 25 0.11

6-444 73 79 1.569 1.6 84 0.65 30 35 0.13

Отметим увеличение вероятности эмиссии В с ростом Ег сверхрешетки. Этот факт хорошо согласуется с представлением о росте прозрачности поверхностного барьера на границе полупроводник - вакуум с увеличением энергии электрона. С ростом Ее в области сверхрешетки увеличивается энергия фотоэлектронов, попадающих в область объемного заряда из зоны проводимости. Также можно отметить, что наибольшие значения поляризации РГ1ШХ = 89-91% наблюдались в образцах с минимальными значениями высоты барьеров в зоне проводимости 1/с < 20 мэВ,.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации. 1. Были разработаны, изготовлены и исследованы фотокатоды на основе ШАЮаАв-ОаАз сверхрешеток с напряженными барьерами валентной зоны и с минимальными разрывами края зоны проводимости.

2. Полученные рекордные значения поляризации фотоэмиссии Рта = 91% позволяют говорить о перспективности использования этих гетероструктур для создания эффективных источников поляризованных электронов.

3. Сравнение экспериментальных и расчетных спектров фотоэмиссии с учетом размытия края валентной зоны и уширения дырочного спектра, а также спиновой релаксации при эмиссии электронов в вакуум, позволило определить параметры гетероструктур и процесса фотоэмиссии электронов.

4. Измерение времен отклика фотокатодов на основе объемного ваЛв, барьерной структуры и безбарьерной сверхрешетки показало, что в наших образцах нет барьеров в зоне проводимости, и электроны движутся так же, как и в объемном материале, что уменьшает время их транспорта.

5. Проведенный анализ показывает, что достижение максимальной поляризации ограничивается как неизбежными потерями поляризации при эмиссии электронов в вакуум, так и флуктуационным размытием краев валентной зоны.

Результаты диссертационной работы содержатся в следующих публикациях:

1. К. Ioakeimidi, Т. Maruyama, J.E. Clendenin, A. Brachmann, Yu.A.Mamaev, L.G.Gerchikov, Yu.P.Yashin, D. Vasilyev, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, R. Prepost. Polarization comparison of InAlGaAs/GaAs superlattice photocathodes having low conduction band offset // Proceedings of the Xlth International Workshop on Polarized Sources and Targets.- 2005.- P. 147.

2. Герчиков Л.Г., Мамаев Ю.А., Яшин Ю.П., Васильев Д.А., Кузьмичев В.В. Исследование фотоэмиссии поляризованных электронов из InAlGaAs - GaAs сверхрешеток // Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах".-2006.-С.136.

3. Л.Г.Герчиков, Ю.А.Мамаев, А.В. Субашиев, Ю.П.Яшин, Д.А.Васильев, В.В. Кузьмичев, А.Е.Жуков, Е.С.Семенова, А.П.Васильев, В.М.Устинов. Фотоэмиссия поляризованных электронов из InAlGaAs-GaAs сверхрешеток с минимальными разрывами зоны проводимости // ФТП.- 2006,- Т.40.-В.11.-С. 1361.

4. D. Vasiliev, Yu. Yashin, Yu. Mamaev, L. Gerchikov, V. Kuz'michev, V. Ustinov, A. Zhukov and V.S. Mikhrin. High performance polarized electrons photocathode // 15lh international symposium NANOSTRUCTURES: physics and technology.- 2007,-P.147.

5. IO. А. Мамаев, Л.Г. Герчиков, Ю. П. Яшин, Д. А. Васильев, В.В. Кузьмичев. Исследование фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных сверхрешеток // Известия ВУЗов, Физика,- 2008.-В.З.- С. 37.

Цитируемая литература

[1] Subashiev A.V., Mamaev Y.A., Yashin Y.P., Clendenin J.E., Phys. Spin-polarized electrons: generation and applications // Low-Dim. Struct. 1-2, 1999.- P.l.

[2] Klein F. et. al. //Nucl. Phys.A.- 1997,- V.623.- P.323.

[3] Abe K. et al. // Phys. Rev. Lett.- 1995,- V.75.- P.4173.

[4] T. Saka, T. Kato, T. Nakanishi, S. Okumi, K. Togawa, H. Horinaka, T. Matsuyama, T.Baba // Surf. Sci.- 2000,- V.454-456.- P.1042.

[5] Yu. Mamaev, A. Subashiev, Yu. Yashin, E. Reichert, P. Dresher, N. Faleev, P. Kop 'ev, V. Ustinov, A. Zhukov // Phys.Low-Dim.Struct.- 1995,- V.10-11,- P.l.

[6] Maruyama Т., Luh D.-A., Brachmann A., Clendenin J.E, Garwin E.L., Harvey S., Jiang J., Kirby R.E., Prescott C.Y., Prepost R., Moy A.M. A systematic study of polarized electron emission from strained GaAs/GaAsP superlattice photocathodes // Appl. Phys. Lett.- 2004,-V.85.- P.2640.

[7] Vurgaftman I., Meyer J.R., Ram-Mohan L.R. Band parameters for III—V compound semiconductors and their alloys // J. Appl. Phys.- 2001,- V.89.- P.5815.

[8] Yu.A.Mamaev, A.V.Subashiev, Yu.P.Yashin, H.-J.Drouhin and G.Lampel. Energy resolved spin-polarized electron photoemission from strained GaAs/GaAsP heterostructure // Solid State Comm. - 2000. - Vol. 114. - No 7. - P. 401.

[9] J.C. Grobli, A. Vaterlaus, D. Guarisco, H. Hepp, F. Meier, Yu. Yashin, Yu. Mamaev, B. Yavich, I. Kochnev // Helv. Phys. Acta.- 1993,- V.66.- P.75.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 11.01.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 3875b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Васильев, Дмитрий Александрович

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Поляризация. Определение, основные понятия, связанные с поляризацией.

1.2. Применение поляризованных пучков на электрон-позитронных коллайдерах.

1.3. Оптическая ориентация электронов.

1.4. Сверхрешетки.

1.5. Отрицательное электронное сродство.

1.6. Спиновая релаксация носителей при оптической ориентации в полупроводниках

1.6.1. Механизм спиновой релаксации Эллиота и Яффета.

1.6.2. Механизм спиновой релаксации Дьяконова-Переля.

1.6.3. Механизм спиновой релаксации Бира-Аронова-Пикуса.

1.6.4. Сравнение эффективности различных механихмов спиновой релаксации.

1.6.5. Результаты экспериментальных исследований скорости спиновой релаксации свободных носителей в кристаллах А3В5.

1.6.6. Зависимость скорости спиновой релаксации от концентрации акцепторов.

2. Экспериментальная установка.

2.1. Конструкция вакуумной установки.

2.2. Система сверхвысоковакуумной установки.

2.3. Оптическая система.

3. Фотоэмиссия поляризованных электронов из структур с минимальными разрывами зоны проводимости.

3.1. Структура и технология изготовления фотокатодов.

3.2. Сверхрешетки ЫАЮаАз-СаАэ.

3.3. Анализ результатов.

Введение диссертация по физике, на тему "Спиновый транспорт в сверхрешетках с минимальными разрывами зоны проводимости"

Пучки поляризованных электронов широко используются в последнее десятилетие [1] для изучения спин-зависящей структуры нуклонов и параметров слабых нейтральных токов, магнетизма поверхности и тонких пленок [2-4], электронной структуры поверхности металлов, полупроводников и тонких пленок.

Пучки с наибольшей из возможных поляризацией играют кардинальную роль для существенного расширения физических возможностей коллайдеров. Крупнейшие из ныне действующих электронных ускорителей работают с пучками поляризованных по спину электронов: MAMI (Mainz Microtron, Mainz, Germany) и CEBAF (Thomas Jefferson National Laboratory, Newport News, USA) [5-7]. Суперускоритель, рассчитанный на энергию столкновения 1000 Гэв, (International Linear Collider - ILC) также планируется для проведения экспериментов по столкновению пучков поляризованных электронов с пучками поляризованных позитронов. Главной причиной эффективности пучков поляризованных электронов при энергиях > Mz является то, что электроны правой спиральности уже не участвуют в слабом взаимодействии, а электроны левой спиральности участвуют. Выбором только желаемых для взаимодействия частиц можно существенно увеличить эффективность ускорителей.

Во всех случаях для увеличения эффективности экспериментов необходимо улучшать параметры гетероструктур, что должно привести к увеличению степени поляризации, квантового выхода в точке максимума поляризации и времени жизни фотоэмитгера.

Для достижения этой цели были разработаны и выращены фотокатоды на основе полупроводниковых соединений ОаАз-АПпОаАв без барьеров в зоне проводимости. Отсутствие барьеров в зоне проводимости позволяет эффективно улучшить параметры фотокатодов за счет того, что увеличивается подвижность электронов и уменьшается скорость спиновой релаксации поляризованных фотоэлектронов.

Целью работы является всестороннее исследование процессов спинового транспорта в структурах на основе сверхрешеток ваАз-АПпСаАз с минимальными разрывами зоны проводимости, а также оптимизация их состава для получения эмиттеров с высокой степенью поляризации и высоким квантовым выходом.

В первой главе диссертации рассматриваются основные понятия о поляризации, применение пучков поляризованных электронов на ускорителях элементарных частиц, явление оптической ориентации, отрицательное электронное сродство, понятие сверхрешетка, а также механизмы спиновой релаксации электронов.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального комплекса для исследования фотоэмиссии поляризованных электронов.

В третьей главе приведены результаты исследования фотоэмиссии поляризованных электронов из сверхрешеток с минимальными разрывами зоны проводимости.

Научная новизна работы.

1. Впервые детально исследована фотоэмиссия поляризованных электронов из нового типа напряженных полупроводниковых сверхрешеток АЦпуОаьх.уАзЛлаАз с минимальным разрывом зоны проводимости.

2. Впервые произведена количественная оценка потерь поляризации при нахождении электронов в области изгиба зон на границе полупроводник-вакуум и при выходе в вакуум через активационный слой для полупроводниковых гетероструктур с приповерхностным слоем арсенида галлия.

3. Впервые показано, что достижение максимальной поляризации ограничивается как неизбежными потерями поляризации при эмиссии электронов в вакуум, так и флуктуационным размытием краев валентной зоны.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны, изготовлены и исследованы фотокатоды нового типа на основе 1пАЮаАз-ОаА8 сверхрешеток с напряженными барьерами валентной зоны и с минимальными разрывами края зоны проводимости.

3. Достижение максимальной поляризации ограничивается флуктуационным размытием краев валентной зоны.

4. Рекордные значения поляризации фотоэмиссии Ртах =91% при квантовом выходе 0.14% позволяют говорить о перспективности использования разработанных гетероструктур для создания эффективных источников поляризованных электронов. Апробация результатов работы. Основные результаты данной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: Xtth International Workshop on Polarized Sources and Targets (Tokyo, Japan, 2005), X Всероссийская конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах" (Санкт-Петербург, Россия, 2006), международном симпозиуме «Nanostructure: Physics and Technology» (Новосибирск, Россия, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ:

1. К. Ioakeimidi, Т. Maruyama, J.E. Clendenin, A. Brachmann, Yu.A.Mamaev, L.G.Gerchikov, Yu.P.Yashin, D, Yasilyev, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov, R. Prepost, "Polarization comparison of InAlGaAs/GaAs superlattice photocathodes having low conduction band offset", Proceedings of the Xlth International Workshop on Polarized Sources and Targets, November 14-17, 2005, Tokyo, Japan, p. 147.

2. Герчиков Л.Г., Мамаев Ю.А., Яшин Ю.П., Васильев Д.А., Кузьмичев В.В. "Исследование фотоэмиссии поляризованных электронов из InAlGaAs - GaAs сверхрешеток", Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПб, 18-19 мая 2006г., стр.136.

3. Л.Г.Герчиков, Ю.А.Мамаев, А.В. Субашиев, Ю.П.Яшин, Д.А.Васильев, В.В. Кузьмичев, А.Е.Жуков, Е.С.Семенова, А.П.Васильев, В.М.Устинов, "Фотоэмиссия поляризованных электронов из InAlGaAs-GaAs сверхрешеток с минимальными разрывами зоны проводимости", ФТП, 2006, том 40, вып. 11, стр. 1361.

4. D. Vasiliev, Yu. Yashin, Yu. Mamaev, L. Gerchikov, V. Kuz'michev, V. Ustinov, A. Zhukov and V.S. Mikhrin, "High performance polarized electrons photocathode" 15th international symposium NANOSTRUCTURES: physics and technology, 2007, p. 147

5. Ю. А. Мамаев, Л.Г. Герчиков, Ю. П. Яшин, Д. А. Васильев, В.В. Кузьмичев, "Исследование фотоэмиссии поляризованных электронов из напряженных сверхрешеток", Известия ВУЗов, Физика, 2008, вып. 3, стр. 37.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 101 страницы машинописного текста, 35 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 61 наименование.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты настоящей работы состоят в следующем:

1. Были разработаны, изготовлены и исследованы фотокатоды на основе ¡пАЮаАз-ОаАз сверхрешеток с напряженными барьерами валентной зоны и с минимальными разрывами края зоны проводимости.

2. Получены рекордные значения поляризации фотоэмиссии Ртях =91% при высоком квантовом выходе, что позволяет говорить о перспективности использования этих гетероструктур для создания эффективных источников поляризованных электронов.

4. Измерение времен отклика фотокатодов на основе объемного ОаАэ, барьерной структуры и безбарьерной сверхрешетки показало, что в наших образцах нет барьеров в зоне проводимости, и электроны движутся так же, как и в объемном материале, что уменьшает время их транспорта.

Автор выражает большую благодарность научному руководителю профессору Мамаеву Ю.А. за большую помощь в работе над данной диссертацией и доценту Яшину Ю.П., чей вклад в создание экспериментальной установки и проведение всех экспериментов трудно переоценить.

Особая благодарность автора доценту Герчикову Л.Г., чьи теоретические исследования позволили разработать и оптимизировать исследовавшиеся структуры.

Также хочется поблагодарить Драча И.Н. за помощь в настройке электронного оборудования и сотрудников лаборатории по исследованию поляризованных фотокатодов Стэндфордского линейного ускорительного центра Джеймса Кленденина и Такаши Маруяму за помощь и поддержку при проведении измерений в США.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Васильев, Дмитрий Александрович, Санкт-Петербург

1. Subashiev A.V., Mamaev Yu.A., Yashin Yu.P., Clendenin J.E. // Phys. Low-Dim. Struct.1999.-V.1-2.-P.1.

2. Siegraann H.C. // J. Phys.: Cond. Matt.- 1992.- V.4.- P.8395.

3. Drouhin H.-J., Van der Sluijs A.J., Lassailly Y. and Lampel G. // J. Appl. Phys.- 1996.-V.79.- P.4734.

4. Allenspach R. // ГОМ J. RES. DEVELOP.- V. 44.- №4.- P. 553.

5. Klein F. et. al. // Nucl. Phys. A.-1997.- V.623.- P.323. 6J Abe K. et al. // Phys. Rev. Lett.- 1995.- V.75.- P.4173.

6. Morris L. Swartz. Physics with Polarized Electron Beams // SLAC-PUB-4656.- P. 47. 18] G. Lampel // Phys. Rev. Lett.- 1968.- V.20.- P.491.

7. Г.Л. Бир, Г.В. Пикус // ФТТ.- 1959.- V IP.136.

8. P. Zorabedian // SLAC Report No 248.- 1982.

9. T. Maruyama, E.L. Garwin, R. Prepost, G.H. Zalapac, J.S. Smith, J.D. Walker // Phys. Rev. Lett.- 1991.- У.66.- P.2376.

10. А.Я. Шик // Двумерные квантовые структуры.- СПб.- 1993.- С.7.

11. Т. Maruyama, E.L. Garwin, R. Prepost, G.H. Zalapac // Phys. Rev.-1992.- B46.- P.4261.

12. T. Nakanishi, H. Aoyagi, H. Horinaka, Y. Kamiya, T. Kato, S. Nakamura, T. Saka, M. Tsubata // Phys. Lett. A.- 1991.- V.1S8.- P.345.

13. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov, and A.I. Ipatov // J. Appl. Phys.- 2004.- V.96.- P.1511.

14. P.JI. Белл // Эмиттеры с отрицательным электронным сродством.- М.:Энергия.-1978.

15. Л.И. Антонова, В.П. Денисов, Ю.П. Яшин, М.С. Галактионов // ЖЭТФ.-1990.-С.2247.

16. Антонова Л.И., Денисов В.П., Исаева Н.А. // ЖЭТФ.- 1987.- С.2446.

17. Yafet Y. // Solid State Physics.- 1963.- V.14.- P. 1.

18. Бир Г.Л., Аронов А.Г., Пикус Г.В. // ЖЭТФ.- 1975.- Т.69.- С.1382.

19. Дьяконов М.И., Перель // ФТТ.- 1971,- Т.13.- С.3581.

20. Elliott P. J. // Phys.Rev.- 1954.- V.96.- Р.266.

21. Yafet Y. // Solid State Physics.- 1963.- V.14.- P. 1.

22. Павлов C.T., Фирсов Ю.А. // ФТТ.- 1965.- Т. 7.- С. 2634.

23. Абакумов В.Н., Яссневич И.Н. // ЖЭТФ.- 1971.- Т.61.- С.251.

24. Chazalviel J. // Phys.Rev. В.- 1975.- V.ll.- Р.1555.

25. Дьяконов М.И., Марущак В.А., Перель В.И. // ЖЭТФ.- 1986.- Т.90.- С.1023.

26. Дьяконов М.И., Перель В.И. // ЖЭТФ.- 1971.- Т.60.- С.1954.

27. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е., Такуиов Л.В. // ФТТ.- 1978.- Т.20.- С.2598.

28. Вир ГЛ., Аронов А.Г., Пикус Г.В. // ЖЭТФ.- 1975.- Т.69.- С.1382.

29. Марущак В.А., Степанова М.Н., Титков А.Н. // ФТТ.- 1983.- Т.25.- С.3537.

30. Дьяконов М.И., Марущак В.А., Перель В.И. // ЖЭТФ,- 1986.- Т.90.- С.1123.

31. Parsons R.R. // Can. J. Phys.- 1971.- V.49.- P.1850.

32. Захарченя Б.П., Ивченко Е.Л., Рыскин А.Н., Варфоломеев А.В. // ФТТ.- 1976.- Т.18.-С.230.

33. Марущак В.А., Степанова М.Н., Титков А.Н. // Письма в ЖЭТФ.- 1983.- Т.37.-С.337.

34. Екнмов А.И., Гарбузов Д.З., Сафаров В.И. // Письма в ЖЭТФ.- 1971.- Т.13.- С.36.

35. Benoit a La Guiolaurae С. Lavallard P., Bichard R. //Proc 12th ICPS. Stuttgart.- 1974.-P.766.

36. Clark A.H., Burnham R.D., Chadi D.J., White R.H. // Solid State Commun.- 1976.- V.20.-P.385.

37. Аронов А.Г., Пикус Г.Е., Титков А.Н. // ЖЭТФ.- 1983.- Т.82.- С.1170.

38. Гореленок А.Т., Груздов В.Г., Марущак В.А. // ФТП.- 1986.- Т.20.- С.347.

39. Екимов А.И., Сафаров В.И. // Письма в ЖЭТФ.- 1971.- Т.13.- С.700.

40. Джиоев Р.И., Захарченя Б.П. Флейшер В.Г. // Письма в ЖЭТФ.- 1971.- Т.14.- С.553.

41. Christensen N.E., Cardona М., Fasol G. // Phys. Rev. В.- 1988.- V.87.- P.306.

42. Берковиц В.Л., Екимов А.И., Сафаров В.И. //ЖЭТФ.- 1973.-Т.65.- С.346.

43. Ивченко Е.Л., Такунов Л.В. // ФТП.- 1976.- Т.М.- С.1334.

44. Пикус Г.Е., Бир Г.Л. // ЖЭТФ.- 1974.- Т.67.- С.788.

45. Левинсон И.Б., Левинский Б.Н. // ЖЭТФ.- 1976.- Т.71.- С.300.

46. Компан М.Е., Захарченя Б.П. И Письма в ЖЭТФ.-1974.- Т.19.- С.734.

47. Компан М.Е., Флейшер В.Г. // ПТЭ.- 1975.- Т.З.- С.223.

48. И. Кесслер, Поляризованные электроны, М:.,Мир,1988.

49. Т. Saka, Т. Kato, Т. Nakanishi, S. Okumi, К. Togawa, Н. Horinaka, Т. Matsuyama, T.Baba // Surf. Sci.-2000.- V.454-456.- P.1042.

50. Yu. Mamaev, A. Subashiev, Yu. Yashin, E. Reichert, P. Dresher, N. Faleev, P. Kop 'ev, V. Ustinov, A. Zhukov // Phys.Low-Dim.Struct.- 1995.- V.10-11.- P.l.

51. T. Maruyama, D.-A. Luh, A. Brachmann, J.E. Clendenin, E.L. Garwin, S. Harvey, J. Jiang, R.E. Kirby, C.Y. Prescott, R. Prepost, A.M. Moy // Appl. Phys. Lett.- 2004.- V.85.-P.2640.

52. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov, Yu.A. Mamaev, Yu.P. Yashin, J.S. Roberte, D.-A. Lüh, T. Maruyama, and J.E. Clendenin // Appl. Phys. Lett.- 2005.- V.86.- P.171911.

53. Yu.A. Mamaev // Nucl. Instr. & Methods.- 2004.- V.A536.- P.289.

54. L Vurgaftman, J.R. Meyer, L.R. Ram-Mohan // J. Appl. Phys.- 2001.- V.89.- P.5815.

55. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov II SPIN2004proceedings.- 2005.- P. 908.

56. A.V. Subashiev, L.G. Gerchikov, A.I. I pa to \ 11 J. Appl. Phys.- 2004.- V.96.- P.1511.

57. B.D. Oskotskij, A.V. Subashiev, Yu.A. Mamaev // Phys. Low Dim. Struct.- 1997.- V.l-2.-P.77.

58. Yu.A. Mamaev, A.V. Subashiev, Yu.P. Yashin, H.-J. Drouhin, G. Lampel // Solid State Commun.- 2000.- V.114 (7).- P.401.

59. K. Aulenbacher, R. Bolenz, V. Tioukine, M. Weis // SPIN2004proceedings.- 2005.- P.922.