Optical pumping in silicon studied by polarized photoluminescence and spin-resolved low energy photoemission
Etude du pompage optique du silicium par photoluminescence polarisée et photo-émission à basse énergie résolue en spin
Résumé
Optical pumping techniques are usually well adapted for the study of spin dynamics in semiconductors. Silicon is a special case, because of an indirect bandgap and a low spin-orbit coupling.
Our approach consists in «reducing the lifetime» of conduction electrons, so that their initial polarization is preserved.
First, we carried out a polarized photoluminescence. Reducing lifetime is achieved mainly by varying the acceptor concentration. A highly polarized hot luminescence is evidenced on a heavyly doped sample. However, the depolarization effect of a transverse field is not observed.
Secondly, we carried out a spin- and energy-resolved photoemission experiment, for a range of excitation energy going from the infrared up to the ultraviolet. The relevant scale of time is the escape time, which is much shorter than the lifetime. It involved the activation of silicon photocathodes in a negative electronic affinity. We performed a spectroscopic study of the photoemited electronic distributions with a 20 meV resolution. The spin analysis of these distributions showed a dramatic increase of the electronic polarization as the excitation energy is approaching the direct bandgap. Polarizations as high as 15% are measured, in agreement with our theoretical calculations. We also observed a change of sign of the polarization, which is very sensitive to the temperature, in the thermalized part of the electronic distributions.
Our approach consists in «reducing the lifetime» of conduction electrons, so that their initial polarization is preserved.
First, we carried out a polarized photoluminescence. Reducing lifetime is achieved mainly by varying the acceptor concentration. A highly polarized hot luminescence is evidenced on a heavyly doped sample. However, the depolarization effect of a transverse field is not observed.
Secondly, we carried out a spin- and energy-resolved photoemission experiment, for a range of excitation energy going from the infrared up to the ultraviolet. The relevant scale of time is the escape time, which is much shorter than the lifetime. It involved the activation of silicon photocathodes in a negative electronic affinity. We performed a spectroscopic study of the photoemited electronic distributions with a 20 meV resolution. The spin analysis of these distributions showed a dramatic increase of the electronic polarization as the excitation energy is approaching the direct bandgap. Polarizations as high as 15% are measured, in agreement with our theoretical calculations. We also observed a change of sign of the polarization, which is very sensitive to the temperature, in the thermalized part of the electronic distributions.
Les techniques de pompage optique sont habituellement bien adaptées à l'étude de la dynamique de spin des semi-conducteurs. Le silicium est un cas particulier, à cause d'un gap indirect et d'un faible couplage spin-orbite.
La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.
Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s'opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n'a pu être observé.
Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d'énergie d'excitation variant de l'infrarouge à l'ultraviolet. L'échelle de temps pertinente est le temps d'échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d'activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d'électrons photo-émis a été réalisée. L'analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l'énergie d'excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l'ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.
La stratégie mise en place dans nos travaux consiste à «réduire le temps de vie» des électrons de conduction, afin que leur polarisation initiale soit conservée.
Dans un premier temps, nous avons mené une étude de photoluminescence polarisée. La réduction du temps de vie s'opère essentiellement en faisant varier le taux de dopage en accepteurs. Nous avons mis en évidence une luminescence chaude fortement polarisée sur un échantillon très dopé. Cependant, aucun effet de dépolarisation en champ transverse n'a pu être observé.
Dans un deuxième temps, nous avons conduit une expérience de photo-émission résolue en spin et en énergie, pour une gamme d'énergie d'excitation variant de l'infrarouge à l'ultraviolet. L'échelle de temps pertinente est le temps d'échappement, beaucoup plus court que le temps de vie. Cela a nécessité la mise au point une procédure d'activation de photocathodes en silicium en affinité électronique négative. Une étude spectroscopique à 20 meV de résolution des distributions d'électrons photo-émis a été réalisée. L'analyse en spin de ces distributions montre une augmentation spectaculaire de la polarisation électronique lorsque l'énergie d'excitation se rapproche du gap direct. Des polarisations de l'ordre de 15% sont mesurées, proches des valeurs théoriques que nous calculons. Nous avons également observé un changement de signe de la polarisation très sensible à la température dans la partie thermalisée des distributions électroniques.
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