Theorie der Spinrelaxation und Intersubband-Absorption in Halbleiter-Quantenstrukturen

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-3838
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.10200

Kainz, Josef

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 07 Jun 2004 15:34

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Zusammenfassung (Deutsch)

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Das Ziel dieser Arbeit ist eine realistische Beschreibung der Spinrelaxation in geschichteten Halbleiterstrukturen, also in Heterostrukturen und Quantentrögen.
In n-dotierten Systemen dieser Art wird der Abbau einer vorhandenen Spinorientierung meist durch den nach D'yakonov & Perel' (DP) benannten Mechanismus dominiert.

Die DP-Spinrelaxation ist eng mit der Spinaufspaltungsenergie zwischen den Spin-up- und -down-Subbändern verknüpft.
Zur Berechnung dieser Größe wird die selbstkonsistente Enveloppenfunktionsnäherung (EFA) verwendet, die eine Erweiterung der kp-Theorie für Schichtstrukturen darstellt, wobei auch das durch ionisierte Donatoren und Elektronen im Quantentrog erzeugte elektrostatische Potential berücksichtigt wird.
Dabei werden die verschiedenen Beiträge zur Spinaufspaltung, die von der fehlenden Inversionssymmetrie des (Zinkblende-)Halbleitermaterials (BIA), der Asymmetrie der Schichtstruktur (SIA) bzw. der Grenzfläche (IIA) herrühren, berechnet.
Die Überlagerung von BIA und SIA führt in (001)-gewachsenen Strukturen zu stark anisotrop Spinrelaxation. Diese wird quantitativ genau berechnet.

Durch eine über die bekannten Näherungen für den entarteten bzw. nichtentarteten Grenzfall hinausgehende Erweiterung der Theorie der DP-Spinrelaxation wird die Möglichkeit zur Berechnung der Relaxationszeiten in einem größeren Temperaturbereich geschaffen.
Die Stärken des verfolgten Ansatzes demonstriert ein Vergleich der damit berechneten Spinrelaxationszeiten mit den in den Experimenten von Terauchi et al. und Ohno et al. gemessenen Werten.
Dabei konnte eine quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment über einen weiten Temperaturbereich und für mehrere Proben erreicht werden.

Die Erweiterung des kp-Formalismus zur Berücksichtigung der mikroskopischen Asymmetrie des Interface (IIA) wird in einem weiteren Teil der Arbeit vorgenommen.
Dies ermöglicht die Untersuchung des Einflusses der IIA auf die Spinaufspaltung im Leitungsband und damit auf die Spinrelaxation.

Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der Sättigung des durch den zirkular photogalvanischen Effekt hervorgerufenen Gleichstroms und der Spinrelaxationszeit von Löchern hergestellt.
Um aus den dazu von Ganichev et al. und Schneider et al. durchgeführten Experimenten an (113)-orientierten GaAs/AlGaAs-Quantentrögen die Extraktion von Loch-Spinrelaxationszeiten durchführen zu können, wurde der meßtechnisch nicht zugängliche lineare Absorptionskoeffizient unter Erweiterung der Theorie der Intersubband-Absorption berechnet.
Dies ermöglicht die Untersuchung der Loch-Spinrelaxationszeit als Funktion der Temperatur und der Trogbreite.
Eine Diskussion der Auswahlregeln für optische Übergänge rechtfertigt die bei der Extraktion der Spinrelaxationszeiten angenommene nahezu vollständige Spinorientierung bei der Anregung.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit den in dieser Arbeit vorgestellten Methoden eine quantitative Beschreibung von elektronischen Spinrelaxationsprozessen in den untersuchten Halbleiter-Quantenstrukturen ermöglicht wird.
Außerdem können aus dem Zusammenspiel von Experiment und Theorie Informationen über Spinorientierung und -relaxation in p-dotierten Quantentrögen gewonnen werden.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

This work is aimed at providing a realistic description of spin relaxation in layered semiconductor structures, i.e. in heterostructures and quantum wells.
In n-doped system of this kind the relaxation of spin orientation is usually dominated by the mechanism named after D'yakonov & Perel (DP).

The DP spin relaxation is intimately related with the spin splitting energy between the spin-up and -down subbands. For the calculation of this quantity we employ the self-consistent envelope function approximation (EFA), which is an extension of the kp-theory for layered structures and which takes into account the electrostatic potential created by ionized donors and electrons in the well.
We calculate the different contributions to the spin splitting, which originate from the missing inversion symmetry of the (zinc-blende) semiconductor (BIA), the asymmetry of the layered structure (SIA) or the interface (IIA).
The interplay of BIA and SIA leads to a strong anisotropy of the spin relaxation in (001)-grown structures, for which we perform quantitatively accurate calculations.

Extending the theory of DP spin relaxation beyond the know approximations for the degenerate and nondegenerate limits enables us to calculate the spin relaxation times in a wider temperature range. The advantages of our approach are demonstrated by means of a comparison of calculated spin relaxation times with values measured in the experiments of Terauchi et al. and Ohno et al.
Over a wide temperature range and for several samples we obtain quantitative agreement between experiment and theory.

The extension of the kp-formalism in order to take into account the microscopic asymmetry of the interface (IIA) enables the investigation of how IIA affects the spin splitting and spin relaxation in the conduction band.

The final part of the present work explains the connection between the saturation of the circular photogalvanic current and the spin relaxation of holes.
To be able to extract the hole-spin relaxation time from the corresponding experiments performed by Ganichev et al. and Schneider et al., we extended the theory for inter-subband transitions and employed it to calculate the linear absorption coefficient, which is inaccessible in the experiment.
An investigation of the hole-spin relaxation time as a function of temperature and well width was made possible by that.
A discussion of selection rules for optical transitions justifies the almost perfect spin orientation assumed for the extraction of the spin relaxation times.

In summary, the methods presented here can quantitatively describe the electronic spin relaxation in semiconductor quantum structures. Furthermore, the interplay of experiment and theory provides information about spin orientation and relaxation in p-doped quantum wells.

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