WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Слои MnAs и MnP (толщиной ~ 100 нм) на подложки полуизолирующего GaAs наносились путем распыления мишени Mn в потоке арсина или фосфина, соответственно. Эти слои покрывались пассивирующим слоем GaAs толщиной ~ 5 нм.

Для практического применения в приборах спинтроники необходимы материалы, в которых носители обладают преимущественной спиновой поляризацией (ферромагнитные полупроводники и полуметаллические соединения). Для диагностики наличия спин–поляризованных носителей проводились исследования гальваномагнитных свойств изучаемых структур, в частности, аномального эффекта Холла. На образцах фотолитографическим методом были сформированы меза-структуры типа «холловский мостик».

Измерения проводились в диапазоне температур 10 – 300 K. Для этого использовался гелиевый криостат замкнутого цикла Janis CCS-300S/202.

Диапазон магнитного поля, прикладываемого к структурам, составлял ± 3700 Э.

Кристаллическое совершенство полученных слоев и структур исследовалось методом дифракции быстрых электронов на отражение.

В третьей главе рассматриваются свойства слоев InMnAs. Количество примеси марганца, характеризующееся параметром YMn, изменялось в диапазоне от 0 до 0.26. Слой InAs, не содержащий Mn, имел n-тип проводимости. Все слои с марганцем демонстрировали дырочный тип проводимости. Электронографические исследования показали, что полученные слои InMnAs имеют структуру мозаичного монокристалла.

В слоях с содержанием марганца YMn 0.09 наблюдался аномальный эффект Холла при температурах от 10 K до комнатной. На рис. 1 представлен типичный вид магнитополевой зависимости сопротивления Холла. Зависимость RH(H) является нелинейной с петлей гистерезиса вследствие гистерезисного характера магнитополевой зависимости намагниченности M (уравнение (1)).

Такой характер зависимости сопротивления Холла от магнитного поля позволяет заключить, что данные RH 295 K слои являются ферромагнитными -I 77 K вплоть до комнатной температуры.

H --4000 -2000 0 2000 Следует отметить, что аномальный H, Э эффект Холла при комнатной температуре в InMnAs наблюдается Рис. 1. Магнитополевая зависимость сопротивления Холла при 295 K и 77 K впервые.

для слоя InMnAs с YMn = 0.2. Стрелками Исследование эффекта Холла указано направление обхода. На вставке представлена схема измерения позволяет определить как сопротивления Холла.

электрические параметры (концентрацию и подвижность носителей), так и магнитные параметры слоев (величины остаточной намагниченности и H R, Ом намагниченности насыщения, коэрцитивное поле). Температурные зависимости сопротивления слоев InMnAs имеют полупроводниковый характер: с понижением температуры увеличивается сопротивление слоев, что связано с вымораживанием носителей. Об этом также свидетельствует температурные зависимости концентрации носителей: с понижением температуры происходит уменьшение концентраций носителей. Наблюдаются невысокие значения подвижности ( 30 см2/В·с), что характерно для магнитных полупроводников, в частности для InMnAs, полученных НТ-МЛЭ. Это связано с большим количеством рассеивающих центров в подобных материалах.

2,б YMn=0.26 а 2,YMn=0.1,0.1,0.0,0,0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 T, K T, K Рис. 2. Температурные зависимости остаточной намагниченности MRH (а) и намагниченности насыщения MSH (б), определенные по эффекту Холла, для слоев InMnAs с различным содержанием Mn.

На рис. 2 представлены температурные зависимости величин остаточной намагниченности MRH и намагниченности насыщения MSH для двух структур с различным содержанием марганца. С понижением температуры от 295 K до К наблюдается возрастание и выход на насыщение данных величин, что связано с уменьшением влияния тепловых колебаний решетки на магнитное упорядочение. Подобное температурное поведение характерно для ферромагнитных материалов, в частности, для ферромагнитных полупроводников [6]. Однако с уменьшением температуры ниже 100 K наблюдается не типичное и не наблюдавшееся ранее понижение значений намагниченности (рис. 2). Слои InMnAs, как показали рентгеноструктурные RH SH M, отн.

ед.

M, отн.

ед.

исследования, содержат включения фазы MnAs, данная фаза является ферромагнитной с температурой Кюри 315 K.

Это позволяет предположить, что ферромагнитные свойства данных структур выявленные по исследованиям эффекта Холла, связаны с взаимодействием носителей с магнитными моментами включений MnAs. При понижении температуры ниже 100 K величина взаимодействия носителей с магнитными моментами включений уменьшается в связи с понижением концентрации носителей, что может приводить и к уменьшению величин намагниченности, определенных из транспортных свойств.

В главе 3 также рассматриваются структуры на основе слоев InMnAs, нанесенных на подложку InAs n-типа. На этих образцах фотолитографическим методом были выполнены меза-структуры для исследования поперечного транспорта носителей (рис. 3).

77 K 50 мкм омический контакт InAs 295 K InMnAs n – InAs -4000 -2000 0 2000 H, Э Рис. 3. Схематическое изображение p-n Рис. 4. Магнетосопротивление структуры структур InMnAs/InAs. InMnAs/n-InAs при 295 K и 77 K.

В этих структурах наблюдался эффект гигантского положительного магнетосопротивления (рис. 4). При комнатной температуре увеличение сопротивления структур составляло до 16 % в магнитном поле 3400 Э. Большое магнетосопротивление может быть связано с особенностью рассеяния носителей в результате изменения их спиновой поляризации при переходе из области высокой степени спиновой поляризации (область InMnAs) в область с низкой степенью спиновой поляризации (область n–InAs).

MR, % В четвертой главе рассматриваются слои GaAs, как объемно легированные марганцем (GaMnAs), так содержащие только одиночный дельта–легированный слой. Слои GaMnAs были получены при различной температуре выращивания (Tg = 300 – 370C) и содержали различное количество марганца (YMn = 0.13 – 0.23). Температурные зависимости сопротивления, как и для слоев InMnAs, демонстрируют полупроводниковый характер: для GaMnAs наблюдается понижение концентрации носителей с уменьшением температуры. Слои GaMnAs, как и слои InMnAs, содержат включения фазы MnAs, о чем свидетельствуют исследования магнитооптического эффекта Керра при 295 K [7], которые обнаруживают наличие петли гистерезиса на зависимости угла поворота плоскости поляризации от магнитного поля. Однако в отличие от слоев InMnAs с примерно равным количеством веденного марганца в слоях GaMnAs аномальный эффект Холла наблюдался лишь при температурах ниже 60 K, следовательно, температура Кюри этих слоев меньше 60 K. В слоях GaMnAs наблюдается эффект отрицательного магнетосопротивления, т.е., происходит понижение сопротивления слоев в магнитном поле, что, как и аномальный эффект Холла, характерно для магнитных полупроводников.

Подобные низкие значения температуры Кюри характерны для слоев GaMnAs, магнитные свойства которых обусловлены взаимодействием носителей с магнитными моментами атомов марганца [8]. Следовательно в отличие от рассмотренных выше слоев InMnAs, ферромагнитные свойства слоев GaMnAs, определенные из исследований гальваномагнитных свойств, не связаны со взаимодействием носителей с магнитными моментами включений MnAs.

На рис. 5 представлено схематическое изображение структур, содержащих только одиночный дельта–легированный слой. В структурах с содержанием марганца в дельта слое 0.2 – 0.35 МС при температурах ниже K наблюдается аномальный эффект Холла (рис. 6).

GaAs, d = 30 нм GaAs, d = 30 нм (0.1 – 0.4 МС) (0.1 – 0.4 МС) 30 K GaAs, d = 400 нм GaAs, d = 400 нм -полуизолирующий полуизолирующий GaAs GaAs 10 K --3000 -2000 -1000 0 1000 2000 H, Э Рис. 5. Схематическое изображение Рис. 6. Магнитополевые зависимости структур с одиночным дельта– сопротивления Холла при 10 K и 30 K для легированным слоем. структуры с дельта–легированным слоем (0.2 МС марганца).

При этих температурах в структурах также наблюдается эффект отрицательного магнетосопротивления. Это позволяет заключить, что при температурах ниже 40 K такие структуры являются ферромагнитными.

Ферромагнетизм в структурах, содержащих одиночный дельта-слой марганца, наблюдался впервые. Для структур с дельта–легированным слоем подвижность носителей выше, чем у слоев GaMnAs, на порядок величины при комнатной температуре и на два порядка - при 77 K. Для структуры с дельтаслоем, содержащим 0.2 МС марганца, при температурах ниже 80 K наблюдается переход к проводимости по примесной зоне. Образование примесной зоны может быть связано с наличием области с высоким содержанием электрически активной примеси (область дельта-слоя). Для этой структуры при температурах ниже 20 K также наблюдался планарный эффект Холла (рис. 7), т.е., возникновение ЭДС Холла при ориентации внешнего магнитного поля в плоскости структуры.

H R, Ом ---RPH -I 10 K -50 H -600 -400 -200 0 200 400 H, Э Рис. 7. Магнитополевая зависимость сопротивления Холла при 10 K для структуры с дельта–легированным слоем (0.2 МС). На вставке представлена схема измерения сопротивления Холла.

Для ферромагнитных материалов холловское сопротивление в случае планарного эффекта Холла (RPH) пропорционально квадрату плоскостной компоненты намагниченности [9]. Следовательно, планарный эффект Холла в структуре с одиночным дельта –легированным слоем также является следствием ее ферромагнитных свойств.

В пятой главе рассматриваются свойства слоев MnAs и MnP, полученных на подложке GaAs методом лазерного распыления мишени марганца в потоке арсина или фосфина. Слои MnAs были получены при различных температурах (300 или 400C) роста и различном потоке подаваемого в реактор арсина.

Для слоев MnAs при 295 K магнитополевые зависимости сопротивления Холла (магнитное поле приложено перпендикулярно плоскости) имеют гистерезисный характер (рис. 8), что свидетельствует о проявлении ферромагнетизма в транспортных свойствах. Следует отметить влияние температуры роста слоя на магнитные параметры, такие как величину коэрцитивной силы и величину намагниченности насыщения. При 77 K зависимости имеют линейный вид. Это может быть связано с тем, что доступной величины магнитного поля недостаточно для намагничивания слоев PH R, Ом до насыщения и наблюдения перехода к преобладанию нормального эффекта Холла.

0,0,0,0,0,0,77 K -0,05 77 K -0,295 K -0,-0,295 K -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 H, Э H, Э Рис. 8. Магнитополевые зависимости Рис. 9. Магнитополевые зависимости сопротивления Холла при 295 K и 77 K сопротивления Холла при 295 K и 77 K для для слоя MnAs. слоя MnP.

Слои MnP были получены при различных температурах выращивания (Tg = 300 – 450C). При температуре 295 K аномальный эффект Холла (рис. 9) и отрицательное магнетосопротивление наблюдается в слоях, полученных при более высоких Tg, следовательно, такие слои являются ферромагнитными при комнатной температуре. При температурах измерения ниже комнатной во всех слоях наблюдается гистерезисный характер магнетополевой зависимости сопротивления Холла плоть до 10 K. Также следует отметить влияние температуры выращивания слоев на их магнитные параметры, в частности, величину коэрцитивного поля. Гальваномагнитные свойства слоев MnP, нанесенных на GaAs, были исследованы впервые.

В диапазоне температур 10 – 295 K проводимость слоев MnAs и MnP является дырочной. Температурная зависимость удельного сопротивления слоев MnAs и MnP имеет металлический характер.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Проведены исследования гальваномагнитных свойств слоев InMnAs, полученных на подложках GaAs оригинальным методом лазерного нанесения в газовой атмосфере.

H R, Ом H R, Ом 2. Показано, что сформированные слои InMnAs имеют монокристаллическую структуру, обладают полупроводниковыми свойствами и одновременно являются ферромагнитными до температуры 310 K.

3. Впервые в слоях InMnAs при комнатной температуре обнаружен аномальный эффект Холла с петлей гистерезиса. Это явление качественно объяснено взаимодействием спин – поляризованных носителей с магнитными моментами содержащихся в полупроводниковой матрице ферромагнитных включений MnAs.

4. Обнаружено необычное уменьшение с понижением температуры ниже 100 K величин остаточной намагниченности (MRH) и намагниченности насыщения (MSH), определенных из исследований эффекта Холла. Это может быть связано с уменьшением взаимодействия носителей с магнитными моментами кластеров MnAs вследствие понижения концентрации носителей.

5. В диодных меза-структурах p-InMnAs/n-InAs обнаружен эффект положительного гигантского магнетосопротивления, достигающий 16 % при комнатной температуре в поле 3500 Э.

6. Слои GaMnAs обладают полупроводниковыми свойствами, что показали температурные исследования удельного сопротивления и эффекта Холла. В слоях GaMnAs наблюдается аномальный эффект Холла при температурах ниже 60 K. Это позволяет заключить, что ферромагнитные свойства структур, связанные со спиновой поляризацией носителей, могут быть качественно объяснены в рамках теории ферромагнетизма в магнитных полупроводниках, вызванного обменным взаимодействием между носителями и магнитными моментами атомов марганца.

7. В отличие от слоев InMnAs присутствие ферромагнитных включений MnAs не приводит к возникновению аномального эффекта Холла в GaMnAs при высоких температурах, что позволяет сделать заключение об отсутствии взаимодействия носителей с магнитными моментами включений MnAs.

8. Проведены исследования гальваномагнитных свойств GaAs структур, содержащих одиночный дельта-слой, полученных комбинированным методом МОС – гидридной эпитаксии и лазерного нанесения.

9. Впервые обнаружен ферромагнетизм в GaAs структурах, содержащих одиночный дельта-слой, проявляющийся в наличие аномального эффекта Холла при температурах ниже 40 K и планарного эффекта Холла при температурах ниже 20 K.

10. Как и для слоев GaMnAs, ферромагнетизм в GaAs структрах с одиночным дельта-слоем может быть связан с наличием обменного взаимодействия между носителями и магнитными моментами ионов марганца.

11. Проведены исследования гальваномагнитных свойств слоев MnAs и MnP, полученных на подложках GaAs методом лазерного распыления в газовой атмосфере. Исследования гальваномагнитных свойств MnP на подложках GaAs были проведены впервые.

12. Установлено наличие при комнатной температуре аномального эффекта Холла и, следовательно, транспорта спин – поляризованных носителей в слоях MnAs.

Pages:     | 1 || 3 |






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