Nat. Commun.：硅光發射二極管中的室溫磁光效應

【引言】

自旋電子效應由于其基礎物理性能和器件應用的潛力而引起了廣泛的關注。目前，可以通過光學方法測量這類效應從而直接了解諸如自旋依賴性重組等現象，電子-空穴對的狀態可以無輻射地重新回到基態。盡管硅具有較弱的自旋軌道耦合，但通過磁致、電致發光來觀察自旋依賴性復合是一個挑戰。硅的間接帶隙導致無效的發射，并且難以將自旋相關現象與傳統的磁阻效應分開。

【成果簡介】

近日，劍橋大學卡文迪許實驗室的A.D.C.教授（通訊作者）的團隊在Nat. Commun.發表了題為Room temperature magneto-optic effect in silicon light-emitting diodes的文章，克服了上述的這些挑戰。研究人員開發了一種使用原始摻雜技術氣體浸沒式激光摻雜（GILD）的高效硅的新制造方法，并研究高效硅中的自旋依賴性重組，這些器件能夠實現高效率的發射，同時保持一個確定的幾何形狀，從而將經典的磁電阻效應抑制到百分之幾。這種材料是可擴展自旋量子計算的優秀候選者，他們還強調了控制硅自發光效率的自由度的重要性。

【圖文導讀】

圖1： 氣體浸沒式激光摻雜（GILD）的硅發光二極管

a: GILD摻雜工藝圖；

b:紅外圖像圖；

c:在不同摻雜水平下的紅外圖像圖。

圖2 ：摻雜硅發光器件中增強發射的起源

a:在p +/ n界面處的模擬靜電勢作為與p +/ n界面的垂直距離z的函數；

b:摻雜的橫向器件的發射光譜。

圖3：硅發光器件中的磁電致發光

該圖表示MEL響應，與MR信號相比，EL表現出對磁場的更強的依賴性，在室溫下ΔEL（B）/ EL（0）= 75％，并且ΔEL（B）/ EL（0） 在150K時為290％。 MR上MEL信號幅度的顯著差異表明磁場正在增加輻射復合。

圖4：磁發光在硅發光器件中的角度依賴性

a-b:磁場與傾斜角θ的函數的磁電致發光的演變；

c:在θ= 90°處測量的MR響應，顯示了與MEL場依賴性形成對比的經典的B²依賴性。

圖5：磁電致發光的電子-空穴自旋相關復合理論

a:在一個變化的電子-空穴交換能量J；

b:顯示弱束縛電子-空穴對的單重態和三重態旋轉對，其中僅單重態發射；

c:不同溫度下能量對比圖。

【小結】

他們使用一種新技術制造能夠抑制經典的MR效應并獲得有效的發射，類似于為有機半導體開發的磁光模型，他們對結果進行了解釋是由于單重和三重電子-空穴對之間復合速率的不同所引起的，允許電子-空穴對交換能量由實驗來估計，他們的研究提出了一種光電子方法來探測接近室溫的硅中的自旋輸運性質，這種材料有望用于量子信息處理和自旋電子學，旋轉性能的控制可以顯著提高SiLEDs的亮度，這可能未來通信的重要組成部分。

文獻鏈接：Room temperature magneto-optic effect in silicon light-emitting diodes（Nat. Commun. ,2018, DOI:10.1038/s41467-017-02804-6）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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