Ge-based photodiodes for spin optoelectronics

This thesis is in the context of spin-optoelectronics, a novel branch of spintronics aiming to exploit the coupling between photon and spin angular momentum in a new generation of magnetically controlled optoelectronic devices able to generate, manipulate and detect circularly polarized light. We report on the growth, fabrication, characterization and modelling of spin-photodiodes based on fully epitaxial Fe/MgO/Ge(001) heterostructures. These devices exploits the optical spin orientation in Ge to convert the degree of circular polarization of light in a spin polarization, and thus in a modulation of the electrical current through the well-known Fe/MgO spin analyzer. Spin-photodiodes are thus detectors of the light helicity. During the operations, spin-photodiodes are illuminated from the top with right and left circularly polarized laser light, while an external magnetic field keep the magnetization of the Fe film parallel or antiparallel to the wave vector of the incident light. The voltage bias applied to the device permits to choose between the detection of holes or electrons. The figure of merit of the device, defined as the percentage change of the photocurrent for complete reversal of the light helicity, depends on: (i) the Magnetic Circular Dichroism of Fe; (ii) the degree of spin polarization obtained by optical spin orientation; (iii) the spin diffusion length (i.e. the spin lifetime) of electrons and holes; (iv) the efficiency of the spin analyzer and (iv) the average resistance of the tunnelling barrier. With these devices we provided the first demonstration of spin optical injection and detection in Ge at room temperature, both for electrons and holes. The analysis of the figure of merit as a function of the photon energy and of the MgO thickness allowed us to gain a deeper insight into the physics of spin orientation and spin transport in Ge. To this scope we developed a diffusive model, adding the spin optical pumping term to the Fert-Jaffrès model for spin injection-detection at ferromagnet-semiconductor interfaces. By using this model to interpret our experimental data we were able to: (i) confirm the theoretically predicted spectral dependence of the optical spin orientation in Ge; (ii) clarify the role of the MgO barrier resistivity on spin accumulation and filtering; (iii) determine the spin lifetime of both electrons and holes in Ge. This works open the route to the application of Ge-based spin-photodiodes as integrated detectors of the photon helicity on a wide spectral range, spanning from the infrared (1550 nm) to the visible (530 nm).

La tesi si inserisce nel contesto della optoelettronica di spin, una branca della spintronica che si basa sull’accoppiamento fra momento angolare del fotone e momento di spin per lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi optoelettronici controllati magneticamente, capaci di generare, manipolare e rivelare luce polarizzata circolarmente. Vengono discusse crescita, fabbricazione, caratterizzazione e modellizzazione di fotodiodi di spin basati sulla eterostruttura epitassiale Fe/MgO/Ge(001). Questi dispositivi sfruttano il fenomeno di orientazione ottica dello spin nel Ge, allo scopo di convertire il grado di polarizzazione circolare della luce in una polarizzazione di spin, e quindi in modulazione della corrente elettrica mediante l’utilizzo di un opportuno filtro selettivo per lo spin (la barriera ad effetto tunnel Fe/MgO). Si tratta pertanto di rivelatori dello stato di polarizzazione della luce, operanti su un ampio spettro di lunghezze d'onda. Durante il funzionamento, i dispositivi vengono illuminati dall’alto con luce laser polarizzata circolarmente destra o sinistra, mentre un campo magnetico esterno mantiene la magnetizzazione del film di Fe in direzione parallela o antiparallela al vettore d’onda della luce incidente. Una differenza di potenziale elettrico applicata al dispositivo permette la rivelazione di buche o elettroni. La figura di merito del dispositivo è la variazione percentuale della fotocorrente per inversione completa della polarizzazione circolare della luce e dipende da: (i) dicroismo circolare magnetico del Fe, (ii) grado di polarizzazione per orientazione ottica dello spin; (iii) lunghezza di diffusione dello spin (i.e. il suo tempo di vita); (iv) la resistenza della giunzione ad effetto tunnel. Con questi dispositivi abbiamo dimostrato per la prima volta l’iniezione ottica e la rivelazione di spin a temperatura ambiente nel Ge, sia per elettroni che per buche. L’analisi della figura di merito in funzione dell’energia del fotone e dello spessore della barriera di MgO ha permesso di chiarificare la fisica dell’orientazione ottica ed il trasporto di spin nel Ge. A questo scopo abbiamo sviluppato un modello diffusivo, aggiungendo un termine di pompaggi ottico al modello di Fert-Jaffrés per l’iniezione/rivelazione di spin all’interfaccia ferromagnete/semiconduttore. Utilizzando tale modello per interpretare i dati sperimentali siamo stati in grado di: (i) confermare i calcoli da principi primi dell’andamento dell’orientazione ottica dello spin in funzione dell’energia del fotone; (ii) chiarire il ruolo della resistività della barriera di MgO su accumulazione e filtraggio di spin; (iii) determinare il tempo di vita dello spin per elettroni e buche nel Ge. Questo lavoro apre la strada all’utilizzo di fotodiodi di spin basati su Ge come rivelatori integrati di luce polarizzata circolarmente su un ampio spettro di lunghezze d’onda, dall’infrarosso (1550 nm) al visibile (530 nm).