Electron Spin Properties in SiGe-based Heterostructures

Electron spin polarization optically injected in group-IV heterostructures is studied by both spin-polarized photoemission and inverse spin-Hall effect (ISHE) measurements. The first part of this thesis concerns the spin-polarized photoemission measurements performed on different SiGe alloys epitaxially grown on a Si substrate. Spin-oriented electrons are generated in the conduction band upon excitation with circularly polarized light. We prove that in these structures it is possible to lower the vacuum level of the system below the conduction band minimum at the Γ point of the Brillouin zone and show that electron spin polarization P = 40% can be achieved when promoting electrons with direct transitions at Γ. Such values can be increased up to P = 72% in compressively strained thin epitaxial films, thus obtaining performances very close to those of III-V semiconductor strained alloys. In the second part, photoinduced inverse spin-Hall effect (ISHE) measurements on a Pt/GaAs(100) and a Pt/Ge(100) are presented. The spin-oriented electrons, photogenerated at the direct gap of the semiconductor using circularly polarized light, provide a net spin current, which yields an electromotive field EISHE in the Pt layer. Such a signal is clearly detected in the Pt/GaAs junction, where electrons diffuse around the Γ point of the Brillouin zone, and in the Pt/Ge one too, despite the strong Γ to L scattering which electrons undergo in the Ge conduction band. The ISHE signal dependence on the exciting photon energy is in good agreement with the electron spin polarization expected for optical orientation at the direct gap of GaAs and Ge. Finally, ISHE measurements performed on Si-doped bulk GaAs(100) at room temperature are shown. In this case, no Pt layer is involved, since the EISHE electromotive field is provided by spin-dependent scattering due to Si impurities. By measuring the ISHE signal as a function of the incident photon energy, we were able to determine the corresponding averaged spin current density flowing through the sample and thus to extrapolate the Si-doped GaAs spin-Hall conductivity.

La polarizzazione in spin degli elettroni, creata tramite iniezione ottica, in varie eterostrutture basate sulle leghe del gruppo IV sono state studiate tramite sia misure di fotoemissione di elettroni risolta in spin che di effetto di spin-Hall inverso (ISHE). La prima parte di questa tesi concerne le misure di fotoemissione di elettroni risolta in spin effettuate su differenti leghe di SiGe cresciute su un substrato di silicio. Gli elettroni polarizzati in spin sono generati nella banda di conduzione tramite eccitazione con luce circolarmente polarizzata. Si dimostra che in queste strutture è possibile abbassare il livello di vuoto del sistema sotto il minimo della banda di conduzione al punto Γ della zona di Brillouin e si mostra che una polarizzazione massima P = 40% può essere ottenuta quando gli elettroni vengono promossi tramite transizioni dirette in corrispondenza del punto Γ. Possono essere raggiunti valori superiori della polarizzazione, fino a P = 72%, in film sottili cresciuti epitassialmente sotto stress compressivo, ottenendo prestazioni paragonabili a quelle di film sottili sotto stress basati sulle leghe III-V. Nella seconda parte sono presentate le misure di ISHE fotoindotto su Pt/GaAs(100) e Pt/Ge(100). Gli elettroni polarizzati in spin, generati alla gap diretta del semiconduttore utilizzando luce circolarmente polarizzata, forniscono una corrente di spin netta, che a sua volta determina un campo elettromotore EISHE nello strato di platino. Il segnale elettrico derivante da questo processo è stato chiaramente rilevato nella giunzione Pt/GaAs, in cui gli elettroni diffondono nell’intorno del punto Γ della zona di Brillouin, e in quella Pt/Ge, nonostante il forte scattering da Γ a L a cui sono sottoposti gli elettroni nella banda di conduzione del germanio. Inoltre, la dipendenza del segnale ISHE dall’energia dei fotoni incidenti risulta in accordo con la polarizzazione in spin degli elettroni ottenuta tramite orientamento ottico alla gap diretta di GaAs e Ge. Infine, sono mostrate misure ISHE a temperatura ambiente su un campione di GaAs(100) di volume dopato con Si. In questo caso non vi è alcuno strato di platino, poiché il campo elettromotore EISHE viene fornito dallo scattering spin-dipendente dovuto alle impurità di silicio. Misurando il segnale ISHE in funzione dell’energia dei fotoni incidenti, si è potuto determinare la densità media di corrente di spin che scorre attraverso il campione ed è stato così possibile estrapolare la conduttività di spin-Hall del GaAs dopato con Si.