[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.44405

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 44, 267–273 (2004)


HOLE SPIN SURFACES IN A3B5 SEMICONDUCTORS
A. Dargys
Semiconductor Physics Institute, A. Goštauto 11, LT-01108 Vilnius, Lithuania
E-mail: dargys@pfi.lt

Received 12 February 2004

The Hamiltonian of A3B5 semiconductors apart from quadratic in wave vector k terms also contains linear terms. The latter originate from the spin–orbit interaction in semiconductors without inversion symmetry. The paper investigates hole spin properties of A3B5 semiconductors – GaAs, InAs, GaP, InP, GaSb, and InSb – paying special attention to contribution of the linear-k terms. It is shown that the general properties of the hole spin surfaces in the mentioned compounds are similar to those in elementary semiconductors investigated recently. It has been found that the influence of linear-k terms on band spins is weak and, as a result, the deformation of the spin surfaces is insignificant.
Keywords: semiconductors, spintronics, valence band, spin control
PACS: 71.70.Ms, 72.20.Jv, 73.40.Gk, 78.55.–m, 79.90.+b


SKYLĖS SUKINIO PAVIRŠIAI A3B5 PUSLAIDININKIUOSE
A. Dargys
Puslaidininkių fizikos institutas, Vilnius, Lietuva

Puslaidininkių, kurių elementarusis narvelis nepasižymi erdvine inversija, hamiltonianas yra sudarytas iš kvadratinių ir tiesinių pagal bangos skaičių k narių. Vyraujantis, kartu ir puslaidininkio savybes lemiantis, dažniausiai yra kvadratinis narys. Todėl, pavyzdžiui, nagrinėjant A3B5 puslaidininkių pernašą, tiesinis narys atmetamas. Kol kas nėra aišku, ar skylės sukinio savybes taip pat lemia tik kvadratinė pagal k valentinės juostos hamiltoniano dalis. Išnagrinėta kvadratinio ir tiesinio pagal k narių įtaka skylės sukinio savybėms GaAs, InAs, GaP, InP, GaSb ir InSb junginiuose. Iš šio darbo matyti, kad išvardintuose A3B5 puslaidininkiuose skylės sukinio savybes taip pat lemia aukštesni, t. y. kvadratiniai pagal bangos vektorių, nariai valentinės juostos hamiltoniane. Dėl šios priežasties su sukiniu susietos skylės savybės turėtų būti panašios į elementarių puslaidininkių, kurių elementarioji gardelė pasižymi inversijos simetrija, pavyzdžiui, p tipo silicio, savybes. Grafiškai ir lentelių pavidalu aprašyti sunkiosios bei lengvosios skylės sukinio paviršiai. Taip pat yra pateikti parametrai, kurie leidžia kiekybiškai spręsti apie kvadratinių ir tiesinių narių svarbą (ypač žr. 2 lentelę). Rasta, kad tiesinių narių įtaka sunkiosios masės skylės sukiniui visuose minėtuose junginiuose yra labai maža.


References / Nuorodos


[1] Proceedings of the PASPS Conference, J. Superconductivity: Incorporating Novel Magnetism 16(1, 2) (2003)
[2] A. Dargys and P. Harrison, Hole spin dynamics in constant and alternating electric fields, Semicond. Sci. Technol. 18(4), 247–252 (2003).
http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/18/4/309
[3] A. Dargys, Ultrafast control of hole spin by electric field in semiconductors, IEEE J. Selected Topics Quantum Electron. 10(1), 155–158 (2004).
http://dx.doi.org/10.1109/JSTQE.2004.824078
[4] A. Dargys, Control of valence-band hole spin by electric field, Acta Phys. Pol. 105(3), 295–306 (2004).
http://dx.doi.org/10.12693/APhysPolA.105.295
[5] A. Dargys, Coherent properties of hole spin, Lithuanian J. Phys. 43(2), 123–128 (2003)
[6] A. Dargys, Spin surfaces and trajectories in valence bands of tetrahedral semiconductors, Phys. Status Solidi B 241(1), 145–154 (2004).
http://dx.doi.org/10.1002/pssb.200301909
[7] M. Abolfath, T. Jungwirth, J. Brum, and A.H. MacDonald, Theory of magnetic anisotropy in III1−xMnxV ferromagnets, Phys. Rev. B 63(5), 054418-1–14 (2001),
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.63.054418
[8] E.O. Kane, in: Semiconductors and Semimetals, Vol. 1, eds. R.K. Willardson and A.C. Beer (Academic Press, New York, 1966) pp. 75–100.
http://dx.doi.org/10.1016/S0080-8784(08)62376-5
[9] E.O. Kane, in: Handbook on Semiconductors, Vol. 1, ed. W. Paul (North-Holland, Amsterdam, 1982) pp. 193–217
[10] M. Cardona, N.E. Christensen, and G. Fasol, Terms linear in k in the band structure of zinc-blende-type semiconductors, Phys. Rev. Lett. 56(26), 2831–2833 (1986).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.2831
[11] M. Cardona, N.E. Christensen, and G. Fasol, Relativistic band structure and spin–orbit splitting of zinc-blende-type semiconductors, Phys. Rev. B 38(3), 1806–1827 (1988).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.38.1806
[12] B.A. Foreman, Strong linear-k valence-band mixing at semiconductor heterojunctions, Phys. Rev. Lett. 86(12), 2641–2644 (2001).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.2641
[13] J.M. Luttinger and W. Kohn, Motion of electrons and holes in perturbed periodic fields, Phys. Rev. 97(4), 869–883 (1955).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.97.869
[14] A. Dargys, Luttinger–Kohn Hamiltonian and coherent excitation of the valence-band holes, Phys. Rev. B 66(16), 165216-1–8 (2002).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.66.165216
[15] I. Vurgaftman, J.R. Meyer, and L.R. Ram-Mohan, Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys, J. Appl. Phys. 89(11), 5815–5875 (2001).
http://dx.doi.org/10.1063/1.1368156
[16] G. Dresselhaus, Spin–orbit coupling effects in zinc blende structures, Phys. Rev. 100(2), 580–586 (1955).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.100.580
[17] L. Reggiani (ed.), Hot Electron Transport in Semiconductors, Topics in Applied Physics, Vol. 56 (Springer, Berlin, 1985),
http://dx.doi.org/10.1007/3-540-13321-6
[18] C. Kittel, Quantum Theory of Solids (Wiley, New York, 1963) Chapter 9
[19] G.H. Golub and C.F. Van Loan, Matrix Computations (The John Hopkins University Press, Baltimore, 1989) Chapter 8
[20] W.H. Press, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterling, and B.P. Flannery, Numerical Recipes in Fortran (Cambridge University Press, Cambridge, 1992) Chapter 2