Nat. Commun.：硅光发射二极管中的室温磁光效应

【引言】

自旋电子效应由于其基础物理性能和器件应用的潜力而引起了广泛的关注。目前，可以通过光学方法测量这类效应从而直接了解诸如自旋依赖性重组等现象，电子-空穴对的状态可以无辐射地重新回到基态。尽管硅具有较弱的自旋轨道耦合，但通过磁致、电致发光来观察自旋依赖性复合是一个挑战。硅的间接带隙导致无效的发射，并且难以将自旋相关现象与传统的磁阻效应分开。

【成果简介】

近日，剑桥大学卡文迪许实验室的A.D.C.教授（通讯作者）的团队在Nat. Commun.发表了题为Room temperature magneto-optic effect in silicon light-emitting diodes的文章，克服了上述的这些挑战。研究人员开发了一种使用原始掺杂技术气体浸没式激光掺杂（GILD）的高效硅的新制造方法，并研究高效硅中的自旋依赖性重组，这些器件能够实现高效率的发射，同时保持一个确定的几何形状，从而将经典的磁电阻效应抑制到百分之几。这种材料是可扩展自旋量子计算的优秀候选者，他们还强调了控制硅自发光效率的自由度的重要性。

【图文导读】

图1：气体浸没式激光掺杂（GILD）的硅发光二极管

a: GILD掺杂工艺图；

b:红外图像图；

c:在不同掺杂水平下的红外图像图。

图2：掺杂硅发光器件中增强发射的起源

a:在p +/ n界面处的模拟静电势作为与p +/ n界面的垂直距离z的函数；

b:掺杂的横向器件的发射光谱。

图3：硅发光器件中的磁电致发光

该图表示MEL响应，与MR信号相比，EL表现出对磁场的更强的依赖性，在室温下ΔEL（B）/ EL（0）= 75％，并且ΔEL（B）/ EL（0） 在150K时为290％。 MR上MEL信号幅度的显着差异表明磁场正在增加辐射复合。

图4：磁发光在硅发光器件中的角度依赖性

a-b:磁场与倾斜角θ的函数的磁电致发光的演变；

c:在θ= 90°处测量的MR响应，显示了与MEL场依赖性形成对比的经典的B²依赖性。

图5：磁电致发光的电子-空穴自旋相关复合理论

a:在一个变化的电子-空穴交换能量J；

b:显示弱束缚电子-空穴对的单重态和三重态旋转对，其中仅单重态发射；

c:不同温度下能量对比图。

【小结】

他们使用一种新技术制造能够抑制经典的MR效应并获得有效的发射，类似于为有机半导体开发的磁光模型，他们对结果进行了解释是由于单重和三重电子-空穴对之间复合速率的不同所引起的，允许电子-空穴对交换能量由实验来估计，他们的研究提出了一种光电子方法来探测接近室温的硅中的自旋输运性质，这种材料有望用于量子信息处理和自旋电子学，旋转性能的控制可以显着提高SiLEDs的亮度，这可能未来通信的重要组成部分。

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

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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