ingan薄膜中电子自旋偏振弛豫的时间分辨吸收光谱研究

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1、http://www.paper.edu.cn*InGaN薄膜中电子自旋偏振弛豫的时间分辨吸收光谱研究†陈小雪滕利华刘晓东黄绮雯文锦辉林位株赖天树（中山大学光电材料与技术国家重点实验室，物理科学与工程技术学院，广州，510275）†Email：stslts@mail.sysu.edu.cn采用飞秒时间分辨圆偏振光泵浦－探测光谱对In0.1Ga0.9N薄膜的电子自旋注入和弛豫进行了研究.获得初始自旋偏振度约为0.2，此结果支持在圆偏振光激发下，重、轻空穴带的跃迁强度比为3:1，而不支持1:1或1:0.94的观点.同时获得自旋偏振弛豫时间为490±70ps，定性分析了自旋弛豫机

2、制，认为BAP机制是电子自旋弛豫的主要机制.关键词：电子自旋，InGaN，自旋极化，自旋弛豫PACC：7847，6740F，7730，7280E1.引言[1]自旋电子学是一门研究电子自旋特性及其应用的学科.自1988年Baibich等人发现巨[2][3]磁阻效应以来，电子自旋在铁磁材料中的应用取得了巨大成功.这使得人们希望利用当[4]今广泛应用的半导体材料来制作半导体自旋功能器件，例如自旋发光二极管、自旋场效应管等，实现途径之一是形成居里温度在室温之上的掺磁半导体材料，并希望其具有长的自旋[5][6]弛豫时间.与其它半导体材料相比，GaN的掺磁材料居里温度达到370K，并且

3、由于其宽带隙和弱的自旋－轨道相互作用，理论预言GaN及其相关的三元化合物，例如InGaN，具有[7]长的自旋弛豫时间.InGaN材料现在被广泛应用于发光二极管、激光二极管和波长从紫外到可见光区域的垂直腔面发射激光器等领域，并且是未来圆偏振光发光器件的潜在应用材料.要获得高圆偏振度发光，室温下的高效率自旋注入和长的电子自旋寿命是这些光功能器件的关键参数[8][9].Julier等人报导了在In0.16Ga0.84N/GaN多量子阱中，在10K的温度下自旋弛豫时间达到[10]100ps.Nagahara等人则报导了室温下In0.106Ga0.894N量子阱的自旋弛豫时间长达22

4、0[7]ps.Buyanova等人采用发光法研究了具有GaMnN注入层的InGaN/GaN量子阱的自旋偏振特*国家自然科学基金（批准号：60490295，60678009）和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20050558030)资助的课题.1http://www.paper.edu.cn[11]性，发现注入效率非常低，认为是由于Rashba效应的缘故.同时，Chen等人和Buyanova等[12]人分别研究了在强磁场的条件下，具有InGaN/GaMnN结构的自旋LED的自旋偏振特性，均观察到较低（10％）的荧光圆偏振度，因此认为从GaMnN向InGaN的自旋注入效

5、率低.事[13]实上，荧光圆偏振度并不能总是正确反映自旋偏振度，这就需要采用新的方法进一步研[14]究自旋注入效率.另外，Tackeuchi等采用泵浦－探测方法研究了InGaN体材料的自旋特性，并没有观察到自旋偏振，作者认为主要原因是材料中In组份失谐，导致在探测光斑尺寸范围内，不同样品点的带隙能量差达到100meV以上，使得重轻空穴带的激发强度相同.作者还[11]提到在圆偏振光激发下，重、轻空穴带的电子跃迁强度比为1:1，而Chen等认为此比例为[10]1:0.94，Nagahara等则认为此比例为3:1，这反映了在基础理论研究方面尚存在争议，有必要对此进行实验研究.泵浦

6、－探测吸收光谱技术基于饱和吸收效应，它直接反映导带载流子的布居状态，避免了发光法的缺陷.本文采用飞秒时间分辨圆偏振光泵浦－探测光谱技术，对InGaN薄膜中电子自旋极化注入和弛豫进行了研究，并对上述问题进行了讨论.2.实验原理[10]图1所示为GaN的能带结构.通常认为InGaN与GaN具有相同的能带结构，In的掺入仅[15]改变带隙.假设圆偏振光激发下重、轻空穴带电子跃迁强度比为3:1，样品自旋注入原理如图1所示.在GaN体材料中，价带顶处轻、重[10,16]空穴带有微小的分裂.当用角动量量子数为1的左旋圆偏振光同时激发重、轻空穴带时，由于电子跃迁的选择定则，左旋圆偏振光只

7、能3111激发−→−和−→两个电子态的2222跃迁，但由于前者的激发强度是后者的3倍，所以，

8、-1/2>自旋态中的电子密度3倍于

9、1/2>自图1GaN能带结构简图.其中V.B和C.B代表[10,17]价带和导带，HH和LH代表重空穴和轻空穴旋态中的电子密度.根据自旋偏振度P的+带.在左旋圆偏振光σ的激发下，重、轻空穴n−n带跃迁强度比为3:1定义：P=−+，其中n和n分别为自旋+−n+n−+向上和自旋向下的电子密度，这样理论上便可获得50％的最大初始自旋偏振度.如果重轻空[11]穴带的电子跃迁强度比为1:0.94，