Spin dependent electron transport in semiconductors due to the Pauli principle

par Fabian Cadiz

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Daniel Paget.

Soutenue en 2015

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Transport dépendant du spin dans les semi-conducteurs: une conséquence du principe de Pauli


  • Résumé

    Ce travail de thèse est consacré à l'étude du transport des électrons minoritaires dans des semi-conducteurs dopés, en fonction de la densité et de la température du gaz électronique. Dans des couches minces de p-GaAs, le transport de la charge et du spin est étudié par un approche à la fois théorique et expérimental en utilisant une technique de microscopie originale permettant d'imager en régime stationnaire le profil de charge et de spin en fonction de la distance r par rapport à la tache d'excitation lumineuse. L'étude de ces profils a faible concentration et sous l'application d'un champ électrique montre que la mobilité des électrons minoritaires est déterminée principalement par la température des électrons et non pas par la statistique des trous majoritaires, ce qui invite a reformuler les modèles théoriques concernant les processus de diffusion des porteurs minoritaires dans les semi-conducteurs. Notre technique expérimentale a aussi permis d'explorer un nouveau mécanisme de couplage charge-spin lorsque la densité électronique est élevée. En effet, sous l'effet de la dégénérescence du gaz électronique (forte concentration, basse température), une diminution de la polarisation de spin à l'endroit d'excitation apparaît, avec un maximum de polarisation visible à environ r=2 µm. Ce résultat contra intuitif révèle le fait que, à cause du principe de Pauli, la diffusion des photo-électrons dépend du spin, car la raideur de spin devient une fonction de la concentration dans le régime dégénéré. Un nouveau mécanisme de filtre à spin en découle, mais qui ne fait pas intervenir une interface entre deux matériaux. D'autres effets pouvant modifier le transport de spin dans le régime dégénéré sont les courants thermoélectriques de spin (courants de Soret) et le couplage ambipolaire avec les trous. Une comparaison entre les profils expérimentaux et une solution numérique des équations de diffusion couplées montre que le couplage ambipolaire augmente la concentration de photo-électrons dans le régime stationnaire, et donc l'amplitude des effets liées à la dégénérescence, tandis que les courants de Soret de spin sont négligleables. Des effets tels que la renormalisation du gap et le couplage Coulombien entre électrons de spin opposés sont aussi négligeables à cause de l'écrantage des intéractions électron-électron induit par le gaz électronique. On s'attend à que l'effet de la dégénérescence augmente dans des systèmes confinés, tels que les puits quantiques, où la raideur de spin et la mobilité peuvent avoir des dépendances en spin encore plus fortes.


  • Résumé

    This thesis is concerned with transport of photoinjected minority spin-polarized electrons in doped semiconductors, as a function of both the density and the temperature of the injected electron gas. In p-GaAs thin films, charge and spin transport is investigated theoretically and experimentally by using a novel polarized microphotoluminescence (µPL) technique which consists in imaging the spatially-resolved PL intensity and polarization under a tightly-focused circularly-polarized CW laser excitation. Study of the experimental profiles at low concentration and under an applied electric field shows that the minority electron mobility is mainly determined by the electron temperature instead of the majority hole statistics, introducing a puzzling piece to the current understanding of scattering processes in semiconductors. At higher densities, this experimental technique has allowed us to explore a novel charge-spin coupling mechanism which modifies electron transport. Under degeneracy of the electron gas (high concentration, low temperature), a dip at the centre of the spin polarization profile appears with a polarization maximum at a distance of about r= 2 µm from the excitation. This counterintuitive result reveals that photoelectron diffusion depends on spin, as a direct consequence of the Pauli principle which causes in general a concentration dependence of the spin stiffness. This results in a novel spin filter effect in an homogeneous material. The other effects which may modify spin transport in a degenerate electron gas are thermoelectric spin currrents (spin Soret currents) and ambipolar coupling with holes. A comparison of the data with a numerical solution of the coupled diffusion equations reveals that ambipolar diffusion increases the steady-state photo-electron density at the centre and therefore the amplitude of the degeneracy-induced spin-dependent diffusion, while the contribution of the spin Soret current is negligible. Coulomb spin drag and bandgap renormalization are negligible due to electrostatic screening by the hole gas. It is expected for degeneracy to have larger effects in confined systems, such as quantum wells, where both the spin stiffness and the mobility can have a much strong spin dependence.

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