WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Кудрин Алексей Владимирович ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СЛОЕВ МАГНИТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ InMnAs, GaMnAs И ПОЛУМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ MnAs, MnP 01.04.10 – физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико – математических наук

Нижний Новгород – 2009

Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского

Научный консультант: кандидат физико – математических наук, старший научный сотрудник Данилов Юрий Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико – математических наук Петухов Владимир Юрьевич кандидат физико – математических наук Дроздов Михаил Николаевич

Ведущая организация: Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино

Защита состоится 21 октября 2009 г. в _ на заседании диссертационного совета Д212.166.01 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, д.23, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан “ ” сентября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.166.01 доктор физико – математических наук, профессор А.И. Машин 1 Введение Актуальность темы В последние годы активные исследования ведутся в области спиновой электроники (спинтроники) – одном из направлений современной электроники.

Задачей данного направления является использование в приборах опто- и наноэлектроники одного из фундаментальных свойств носителя заряда – его спина. Основой спинтроники являются материалы, носители заряда в которых обладают преимущественной поляризацией по спину. К данным материалам относятся большинство металлических ферромагнетиков, использование которых позволило создать первые приборы спинтроники – магниторезистивные элементы, основанные на эффекте гигантского магнетосопротивления и получившие в настоящее время широкое распространение [1]. Большой интерес представляет исследование и использование спин – зависимых эффектов в полупроводниковых структурах.

Для практической реализации ряда приборов полупроводниковой спинтроники необходимы материалы, которые, наряду с полупроводниковыми, обладали бы и ферромагнитными свойствами и содержали бы носители заряда, поляризованные по спину.

Наиболее активно исследуются полупроводники A3B5, легированные атомами марганца, поскольку полупроводники данного типа нашли широкое практическое применение (в частности, GaAs), а введение атомов Mn, имеющих нескомпенсированный магнитный момент, приводит к появлению ферромагнитных свойств [2]. Эти ферромагнитные полупроводниковые материалы позволяют создавать структуры с уникальными оптическими и транспортными свойствами, такие как спиновый светоизлучающий диод и полупроводниковые магниторезистивные элементы на основе эффекта спин – зависимого транспорта носителей [2,3]. Также представляет большой интерес исследование полуметаллических ферромагнитных слоев (например, MnAs), технология получения которых может быть интегрирована в технологический процесс получения полупроводниковых структур [4]. Такие ферромагнитные слои могут быть использованы в качестве инжектора спин – поляризованных носителей в полупроводниковую структуру. Однако целый ряд проблем в области физики ферромагнитных полупроводников остается нерешенным. В частности, неясно как способ формирования слоев ферромагнитных полупроводников влияет на их свойства. Дело в том, что основная масса исследований в мировой практике выполнена на слоях, изготовленных молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). Метод МЛЭ является малопроизводительным, а оборудование – очень дорогое. Поэтому разработка альтернативных методов нанесения (в первую очередь, совместимых с газофазной эпитаксией) и изучение полученных при этом ферромагнитных полупроводников – задача актуальная и важная с практической и физической точек зрения. Другая проблема заключается в том, что для многих ферромагнитных полупроводников типа (А3,Mn)B5 температуры Кюри - низкие, что существенно ограничивает возможность их практического использования.

В связи с этим одной их главных задач групп, работающих в области полупроводниковой спинтроники, является получение ферромагнитных полупроводников с температурой Кюри, близкой к комнатной.

В данной работе исследовались свойства полупроводниковых слоев InAs и GaAs, полученных методом лазерного нанесения (ЛН) в газовой атмосфере и объемно легированных марганцем в процессе выращивания. Исследовались также структуры на основе GaAs, полученные комбинированным методом газофазной эпитаксии и лазерного нанесения и содержащие дельта– легированный слой. Кроме этого, проведены исследования слоев полуметаллических соединений MnAs и MnP, полученных методом реактивного ЛН.

Цель и основные задачи работы Основной целью данной работы являлось исследование гальваномагнитных свойств полупроводниковых структур, легированных магнитной примесью (слоев InMnAs и GaMnAs, структур на основе GaAs c дельта –легированным слоем), и полуметаллических ферромагнитных слоев (MnAs, MnP), нанесенных на полупроводник. Гальваномагнитные исследования структур позволяют провести диагностику как транспортных, так и магнитных свойств.

Использованные для получения образцов ростовые методы (метод лазерного нанесения в газовой атмосфере, комбинированный метод лазерного нанесения и МОС – гидридной эпитаксии) являются оригинальными и ранее не применялись для получения магнитных структур на основе полупроводников A3B5 и полуметаллов. Представляет интерес установление отличий в свойствах структур, полученных данными методами, от свойств аналогичных структур, выращенных традиционными методами: молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии с использованием МОС.

Основными задачами

работы являются:

1. Исследование гальваномагнитных свойств структур InMnAs/GaAs и GaMnAs/GaAs. Исследование влияния количества введенной примеси марганца на магнитные и транспортные свойства.

2. Исследование гальваномагнитных свойств структур GaAs, содержащих дельта –легированный слой, при различном количестве марганца в дельта-слое.

3. Исследование гальваномагнитных свойств слоев MnAs и MnP, выращенных на подложке GaAs. Установление влияния ростовых параметров на магнитные и транспортные свойства структур MnAs/GaAs и MnP/GaAs.

Научная новизна работы 1. Впервые в слоях InMnAs при комнатной температуре обнаружен аномальный эффект Холла гистерезисного характера.

2. В слоях InMnAs обнаружено необычное уменьшение величин остаточной намагниченности (MRH) и намагниченности насыщения (MSH), определенных из исследований эффекта Холла, с понижением температуры от 100 K.

3. Впервые обнаружен ферромагнетизм в слоях GaAs, содержащих одиночный дельта-легированный слой, проявляющийся в наличии аномального и планарного эффекта Холла при температурах ниже 40 K.

4. Впервые проведены исследования гальваномагнитных свойств слоев MnP, полученных на подложках GaAs.

Практическая ценность работы 1. Установлено, что слои InMnAs, сформированные методом лазерного распыления в газовой атмосфере, обладают при комнатной температуре транспортными свойствами, характерными для ферромагнитных материалов.

Это позволяет использовать слои InMnAs в качестве источников и детекторов спин – поляризованных носителей в приборах спинтроники, работающих при комнатной температуре.

2. Наблюдаемый в структурах, представляющих собой эпитаксиальный слой p-InMnAs на подложке n-InAs, эффект гигантского положительного магнетосопротивления при комнатной температуре (16 % в магнитном поле 3500 Э), может быть использован для построения магниточувствительных элементов.

3. Слои MnAs и MnP, сформированные методом лазерного распыления в газовой атмосфере, обладают достаточно высокой температурой Кюри ( К) и могут быть интегрированы в полупроводниковые гетероструктуры. Это создает перспективы для их использования в приборах спинтроники и в магнитооптических элементах приборов оптоэлектроники.

На защиту выносятся следующие основные положения 1. Слои InMnAs и GaMnAs, нанесенные лазерным распылением соответствующей полупроводниковой и металлической Mn мишеней в газовой атмосфере, обнаруживают свойства ферромагнитного полупроводника. При этом температура Кюри зависит от состава (типа компонента А3 и концентрации марганца) и достигает значений 310 и 50 К для InMnAs и GaMnAs, соответственно.

2. Структуры, включающие одиночный дельта-слой, встроенный в эпитаксиальный слой нелегированного GaAs, при содержании марганца 0.2 – 0.3 монослоя являются ферромагнитными с температурой Кюри 30 К. Это противоречит принятому в литературе мнению, что для осуществления обменного взаимодействия в структуре вблизи дельта-слоя должна находиться квантовая яма с двумерным дырочным газом.

3. Слои полуметаллов MnAs и MnP, нанесенные реактивным лазерным распылением мишени Mn в потоке гидрида элемента пятой группы, являются ферромагнитными материалами с дырочным типом проводимости.

Личный вклад автора Автором проведены исследования гальваномагнитных свойств (эффекта Холла и магнетосопротивления) слоев InMnAs, GaMnAs, MnAs, MnP.

Исследования гальваномагнитных свойств дельта–легированных слоев GaAs проводились совместно со с.н.с. НИФТИ ННГУ к.ф.-м.н. О.В. Вихровой.

Анализ результатов и обсуждение проводились автором совместно с научным руководителем работы Ю.А. Даниловым при участии вед.н.с. к.ф.-м.н. Б.Н.

Звонкова и О.В. Вихровой. Электронографические исследования проводились совместно с к.ф.-м.н. Е.А. Питиримовой. Все исследованные структуры выращены Б.Н. Звонковым.

Апробация работы Результаты, полученные в данной работе, докладывались автором на XI и XII международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2007 и 2008 гг.); 15-м международном симпозиуме «Nanostructures:

Physics and Technology» (Новосибирск, 2007 г.); XIII конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение» (Нижний Новгород, 2007 г.); 3-й международной конференции «Физика электронных материалов» (Калуга, 2008 г.); 10-й Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (С.-Петербург, 2008 г.); IX молодежной школе– семинаре по проблемам конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2008 г.); XII и XIII Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2007 и 2008 гг.).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 28 научных работ, включая 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, и 23 публикации в материалах конференций.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

Объем диссертации составляет 152 страницы, включая 76 рисунков и таблиц. Список цитируемой литературы содержит 120 наименований, список работ автора по теме диссертации содержит 28 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, обозначена цель работы и приведены ее задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературных данных по магнитным полупроводникам (А3,Mn)B5 и полуметаллам MnAs, MnP. В частности рассмотрены способы выращивания (молекулярно-лучевая и газофазная эпитаксия), магнитные и магнитотранспортные свойства эпитаксиальных слоев InMnAs, GaMnAs, объемно легированных магнитной примесью, и структур на основе GaAs, содержащих примесь марганца в виде дельта-слоя. Рассмотрены полуметаллы MnAs, MnP, способы получения слоев этих материалов на подожках GaAs и их свойства. В первой главе также обсуждаются гальваномагнитные явления, характерные для магнитных материалов, такие как аномальный и планарный эффект Холла, эффекты отрицательного и анизотропного магнетосопротивления.

Известно, что в магнитных материалах может наблюдаться аномальный эффект Холла [5]. В случае тонких слоев этих материалов сопротивление Холла описывается выражением:

RH(H)= R0·H /d + RS·M(H)/d (1) где d – толщина слоя, H – напряженность магнитного поля, M(H) – намагниченность материала; R0 – коэффициент нормального эффекта Холла; RS – коэффициент аномального эффекта Холла.

При достижении максимального значения намагниченности структуры M (намагниченности насыщения MS), ход зависимости RH(H) в этом случае определяется слагаемым нормального эффекта Холла (R0H/d), следовательно, возможно определение коэффициента R0, что позволяет установить тип и вычислить концентрацию носителей. Также возможно определение магнитополевой зависимости слагаемого аномального эффекта Холла (RSM(H)/d) вычитанием из зависимости RH(H) слагаемого нормального эффекта Холла. Следовательно, исследование эффекта Холла в ферромагнетиках позволяет изучать как электрические характеристики материала (тип носителей и их концентрацию), так и магнитные характеристики (M(H)).

Во второй главе приводятся методики получения и исследования изучаемых в работе магнитных структур. Структуры получены оригинальными, не применявшимися ранее для получения магнитных полупроводников методами лазерного нанесения в газовой атмосфере или комбинацией методов МОС – гидридной эпитаксии (МОСГЭ) и лазерного нанесения. Получение слоев InMnAs и GaMnAs (толщиной ~ 100 – 300 нм) на подложках полуизолирующего GaAs осуществлялось поочередным распылением лазером металлической мишени Mn и полупроводниковой мишени InAs (GaAs) в потоке водорода и арсина. Количество марганца, вводимого в InAs (GaAs), характеризовалось параметром YMn = tMn/(tInAs(GaAs)+ tMn), где tMn и tInAs(GaAs) – времена распыления мишени Mn и InAs (GaAs), соответственно. Слои InMnAs и GaMnAs заращивались пассивирующим слоем InAs или GaAs (толщиной ~ – 10 нм), соответственно. Для получения структур на основе эпитаксиальных слоев GaAs, содержащих одиночный дельта –легированный слой, на буферном слое, полученным МОСГЭ (температура выращивания (Tg) 650C), методом лазерного нанесения наносился слой Mn (Tg = 400C) толщиной 0.1 – 0.35 монослоя (МС), закрывавшийся покровным слоем GaAs (ЛН, Tg = 400C).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»