Bulk and structure inversion asymmetry in semiconductor quantum well structures

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	17 September 2012
Referee:	Prof. Dr. Sergey D. Ganichev
Date of exam:	19 July 2012
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Professor Ganichev > Group Sergey Ganichev
Keywords:	Spin-orbit interaction, Rashba, Dresselhaus, BIA, SIA, persistent spin helix, III-V semiconductor, quantum wells, spin relaxation, weak anti-localization
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	25885

Abstract (English)

Spintronics utilizes the electron’s spin degree of freedom as information carrier. The basis of this fast growing research area is given by spin-orbit coupling (SOI), which lifts the spin degeneracy of the energy bands in low dimensional semiconductor heterostructures. The resulting spin dependent band splitting in k-space is described by the k-linear Rashba terms and the k-linear and k-cubic ...

Abstract (English)

Spintronics utilizes the electron’s spin degree of freedom as information carrier. The basis of this fast growing research area is given by spin-orbit coupling (SOI), which lifts the spin degeneracy of the energy bands in low dimensional semiconductor heterostructures. The resulting spin dependent band splitting in k-space is described by the k-linear Rashba terms and the k-linear and k-cubic Dresselhaus terms in the Hamiltonian.
In this work the anisotropy of the band spin splitting, which is caused by the interference of bulk and structure inversion asymmetry (BIA and SIA), is investigated experimentally in low dimensional III-V semiconductor heterostructures. Herewith, basic rules for the design of quantum well (QW) structures with a defined SIA/BIA-ratio are obtained. These goals are achieved applying a newly developed opto-electronic method, based on the analysis of the magnetogyrotropic photogalvanic effect’s (MPGE’s) anisotropy, as well as well established methods employing further photogalvanic effects. Moreover, through this work, QWs with equal strengths of k-linear Rashba and Dresselhaus spin splitting are gained. Such materials are a crucial prerequisite for future spintronic devices, since they allow the formation of a persistent spin helix (PSH). Furthermore, the study of photogalvanic effects together with magneto-transport experiments in QWs with strong SOI and numerical simulations allow estimating the influence of the k-cubic Dresselhaus terms on the PSH formation. Another aim of this work is to study the microscopic origins underlying the formation of the MPGE current. Here, we demonstrate that both spin and orbital mechanisms contribute to the linear as well as the circular MPGE in GaAs/AlGaAs QWs.

Translation of the abstract (German)

In der Spintronik wird der Spin eines Elektrons als Informationsträger genutzt. Die Grundlage dieses schnell wachsenden Forschungsgebiets liefert die Spin-Bahn-Kopplung (SOI), die die Spinentartung der Energiebänder in niederdimensionalen Halbleiter-Heterostrukturen aufhebt. Die daraus resultierende Spin-abhängige Band-Aufspaltung im k-Raum wird durch k-lineare Rashba-Terme und k-lineare sowie ...

Translation of the abstract (German)

In der Spintronik wird der Spin eines Elektrons als Informationsträger genutzt. Die Grundlage dieses schnell wachsenden Forschungsgebiets liefert die Spin-Bahn-Kopplung (SOI), die die Spinentartung der Energiebänder in niederdimensionalen Halbleiter-Heterostrukturen aufhebt. Die daraus resultierende Spin-abhängige Band-Aufspaltung im k-Raum wird durch k-lineare Rashba-Terme und k-lineare sowie k-kubische Dresselhaus-Terme im Hamilton-Operator beschrieben.
In dieser Arbeit wird die Anisotropie der Band-Spin-Aufspaltung, welche von der Interferenz von Bulk und Struktur Inversions Asymmetrie (BIA und SIA) verursacht wird, in III-V-Halbleiter-Heterostrukturen experimentell untersucht. So lassen sich Grundregeln für das Design von Quantentrog (QW) Strukturen mit definiertem SIA/BIA-Verhältnis ableiten. Zu diesem Zweck wird eine neue opto-elektronische Methode unter Verwendung des magnetogyrotropen photogalvanischen Effekts (MPGE) entwickelt, sowie bereits bewährte Methoden, welche auf anderen photogalvanischen Effekten beruhen, genutzt. Darüber hinaus konnten im Rahmen dieser Arbeit QWs mit gleich großer k-linearer Rashba- und Dresselhaus-Spinaufspaltung hergestellt werden. Solche Materialien stellen eine entscheidende Grundvoraussetzung für zukünftige Spintronik-Bauteile dar, da sie die Bildung einer persistenten Spin Helix (PSH) erlauben. Im Weiteren ermöglichen die Analyse der photogalvanischen Effekte sowie der magneto-transport Experimente in QWs mit starker SOI, zusammen mit numerischen Simulationen, eine Abschätzung des Einflusses der k-kubischen Dresselhaus-Terme auf die PSH-Bildung. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der mikroskopischen Mechanismen, die zum MPGE-Strom führen. In diesem Teil wird gezeigt, dass sowohl Spin- als auch Orbitale Mechanismen zum linearen und zirkularen MPGE in GaAs/AlGaAs QWs beitragen.

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