WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 8 Взаимодействие носителей заряда с локализованными магнитными моментами марганца в гетероструктурах p-GaInAsSb/p-InAs : Mn © Т.С. Лагунова, Т.И. Воронина, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Е. Самохин, Ю.П. Яковлев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 3 февраля 2003 г. Принята к печати 4 февраля 2003 г.) Исследованы транспортные свойства гетероструктур p-Ga1-x Inx Asy Sb1-y /p-InAs : Mn с нелегированными слоями твердых растворов, близких по составу к GaSb (x 0.22) при концентрации марганца в подложке (5-7) · 1018 см-3, полученных методом жидкофазной эпитаксии. Установлено, что на гетерогранице со стороны арсенида индия существует электронный канал. Обнаружены аномальный эффект Холла и отрицательное магнитосопротивление при высоких температурах (77–200 K). Эти эффекты могут быть объяснены обменным s-d-взаимодействием ионов марганца в подложке с s-электронами в двумерном канале. Оценен эффективный магнитный момент ионов марганца µ = 200 µB при T = 77 K.

1. Введение электронных приборов. Известно, что марганец относится к переходным элементам Периодической системы, его В работах [1–3] было показано, что в одиночных геатомы имеют незаполненную 3d-оболочку и заполнентероструктурах p-Ga1-xInx Asy Sb1-y/p-InAs с нелегироную 4s (электронные конфигурации 3d5 и s2). Марганец ванными слоями твердых растворов, близких по составу хорошо растворяется в InAs, занимая узлы в индиевой к GaSb (x 0.22), на гетерогранице существует элекподрешетке. Когда концентрация марганца в арсениде тронный канал, обладающий полуметаллическими свойиндия становится достаточно большой, он проявляет ствами с высокой подвижностью электронов при 77 K специфические свойства: при низких температурах он µ77 =(3-7) · 104 см2/(В · с). В этих работах были исоказывается в зарядовом состоянии Mn3+ (электронследованы эффект Холла, подвижность и магнитосопроная конфигурация 3d4) и обеспечивает электронный тивление в зависимости от температуры и напряжентип проводимости. С повышением температуры атомы ности магнитного поля и показано, что наблюдаемые марганца способны захватить по одному электрону из в электронном канале коэффициент Холла и электронвалентной зоны, изменить зарядовое состояние на Mn2+ ная подвижность сохраняли постоянные значения от (электронная конфигурация 3d5), в результате проявлядо 200 K и не зависели от напряженности магнитноется дырочный тип проводимости.

го поля. Магнитосопротивление было положительным Цель работы состояла в исследовании поведения прии определялось величиной подвижности. В качестве меси марганца в гетеропереходах p-Ga1-xInx Asy Sb1-y / высокоомной подложки использовался сильно компенp-InAs : Mn (x = 0.04, 0.09, 0.22) и в подложке сированный p-InAs: Zn или p-InAs : Mn с концентрацией p-InAs : Mn, когда концентрация дырок в InAs составлядырок p300 1017 см-3. Однако при высокой степени ла p =(5-7) · 1018 см-3. Изучалось влияние обменного компенсации в p-InAs при T > 200 K начинается певзаимодействия носителей тока с магнитными моменреход к собственной проводимости и подложка шунтами марганца на транспортные свойства исследуемых тирует все транспортные свойства в гетероструктуре гетероструктур.

p-GaInAsSb/p-InAs.

Настоящая работа посвящена исследованию транспортных свойств гетероструктур p-GaInAsSb/p-InAs : Mn 2. Экспериментальные результаты при более высоком уровне легирования подложки марганцем (p =(5-7) · 1018 см-3). Это актуально, так как Методом жидкофазной эпитаксии на подложках марганец в качестве акцепторной примеси в арсениде p-InAs : Mn толщиной 350 мкм с концентрацией дырок индия используется при изготовлении различных опто- p =(5-7) · 1018 см-3 выращивались эпитаксиальные Характеристики гетероструктур p-Ga1-xInx AsySb1-y /p-InAs : Mn при T = 77 K RH, см2/Кл µH, см2/(В · с) /,% № Содержание In, Концентрация образца x дырок p, см-3 H = 2кЭ H = 20 кЭ H = 2кЭ H = 20 кЭ H = 2кЭ H = 20 кЭ 1 0.04 1017 -7 · 105 -7 · 105 -44000 -40000 +4 +2 0.09 1017 -9 · 105 -9 · 105 -48000 -46000 +2 +3 0.22 1017 -6 · 105 -6 · 105 -30000 -30000 +5 +4 0.04 5 · 1018 -220 +5.4 -440 +14 -1.3 -9.5 0.09 6 · 1018 -1170 -12 -2800 -20 -4 -6 0.22 7 · 1018 -390 +4 -1200 +13 -1.5 -10.902 Т.С. Лагунова, Т.И. Воронина, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Е. Самохин, Ю.П. Яковлев слои твердых растворов Ga1-xInx Asy Sb1-y с содержанием индия x = 0.04, 0.09, 0.22. Толщина эпитаксиальных слоев составляла 1–2 мкм. С помощью измерений просветляющей электронной микроскопии была показана резкость гетерограницы InAs/GaInAsSb с шириной переходного слоя 3–4 монослоя. Эпитаксиальные слои преднамеренно не легировались, имели p-тип проводимости с концентрацией дырок p 1016 см-3 и подвижностью µH 2000 см2/(В · с) при T = 77 K. Для исследования параметров гетероструктур p-Ga1-xInx AsySb1-y / p-InAs : Mn шесть индиевых контактов наносились на образец со стороны эпитаксиального слоя, на которых измерялись коэффициент Холла RH, электропроводность, холловская подвижность µH и поперечное магнитосопротивление / в магнитных полях 0–20 кЭ при температурах 77–300 K. Аналогичные измерения делались и со стороны подложки. В таблице приведены основные параметры при T = 77 K для гетероструктур p-Ga1-xInx Asy Sb1-y /p-InAs : Mn, измеренных со стороны эпитаксиального слоя.

На рис. 1, a, b представлены результаты измерения коэффициента Холла RH и холловской подвижности µH в зависимости от напряженности магнитного поля H при T = 77 K в гетероструктурах p-Ga1-xInx AsySb1-y / p-InAs : Mn, измеренных со стороны эпитаксиального слоя, при концентрации дырок в подложке p = 1017 см-(образцы 1–3) и p 5 · 1018 см-3 (образцы 4–6). Как видно из рис. 1, a, b, при концентрации дырок в подложке p = 1017 см-3 (образцы 1–3) наблюдаются высокие значения коэффициента Холла RH и электронной подвижности µH, которые практически не зависят от напряженности магнитного поля до 20 кЭ. В гетероструктурах p-Ga1-xInx Asy Sb1-y /p-InAs : Mn при концентрации дырок в подложке p 5 · 1018 см-3, измеренных со стороны эпитаксиального слоя, при всех составах твердого раствора (x = 0.04, 0.09, 0.22, образцы 4, 5, 6) зависимости коэффициента Холла и подвижности принципиально отличаются от аналогичных зависимостей в образцах 1–3: коэффициент Холла RH и электронная подвижность µH становятся на 2 порядка ниже, слегка уменьшаются с ростом напряженности магнитного поля до 5 кЭ, при более высоких полях наблюдается резкое уменьшение RH и µH, а при H 18 кЭ тип проводимости изменяется с электронного на дырочный.

Рис. 1. Зависимости коэффициента Холла RH (a) и холловской В отличие от измерений со стороны эпитаксиальподвижности µH (b) от напряженности магнитного поля H при ного слоя, при измерениях образцов 4–6 со стороны T = 77 K. Номера кривых соответствуют номерам образцов подложки при всех напряженностях магнитного поля в таблице. Штриховые линии — RH и µH в образце 6 со при T = 77 K наблюдается дырочный тип проводимости, стороны подложки.

коэффициент Холла RH и дырочная подвижность µH возрастают с ростом напряженности магнитного поля.

Поскольку измеренные со стороны подложки зависимости в образцах 4–6 были практически одинаковыми, в гетероструктурах, измеренные со стороны эпитакна рис. 1, a, b они приведены пунктиром для одно- сиального слоя, при напряженности магнитного поля го из образцов (образца 6) с концентрацией дырок H = 3 кЭ. В образцах 1–3, выращенных на подложках p = 7 · 1018 см-3. с концентрацией марганца p = 1017 см-3, коэффициент На рис. 2, a и b представлены зависимости коэффи- Холла и подвижность сохраняют постоянные значения циента Холла RH и подвижности µH от температуры до 200 K, выше 200 K значения RH и µH резко падают Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Взаимодействие носителей заряда с локализованными магнитными моментами марганца... всех температурах указывают на дырочный тип проводимости. Коэффициент Холла и подвижность растут с ростом температуры до 200 K, выше 200 K стремятся к насыщению.

На рис. 3 представлен коэффициент Холла R, рассчитанный на единицу объема, в зависимости от температуры для подложки p-InAs : Mn с концентрацией марганца p = 7 · 1018 см-3 (образец 6) при напряженности магнитного поля H = 3 и 10 кЭ. Видно, что при H = 3 кЭ коэффициент Холла с понижением температуры уменьшается гораздо сильнее, чем при H = 10 кЭ. При T = 77 K значения коэффициента Холла при H = 3 кЭ становятся на порядок ниже, чем при H = 10 кЭ. На этом же рисунке (штриховой линией) приведена зависимость коэффициента Холла от температуры при H = 10 кЭ для InAs : Mn приблизительно с такой же концентрацией дырок, взятая из работы [4].

Резкое уменьшение RH при H = 10 кЭ наступало при T < 77 K и при T 50 K наблюдалась смена знака коэффициента Холла.

На рис. 4 представлены зависимости поперечного магнитосопротивления от напряженности магнитного поля в гетероструктурах p-Ga1-xInx Asy Sb1-y / p-InAs : Mn при T = 77 K. Как видно на рис. 4, при всех составах твердого раствора, выращенных на подложках с концентрацией марганца p = 1017 см-3 (образцы 1-3), наблюдается обычное лоренцовское положительное магнитосопростивление (ПМС). ПМС возрастаРис. 2. Зависимости коэффициента Холла RH (a) и подвижности µH (b) от температуры при напряженности магнитного поля H = 3 кЭ. Номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице. Штриховые кривые — RH и µH в образце 6 со стороны подложки.

из-за проявления собственной проводимости в подложке.

В образцах 4–6, выращенных на подложках с концентрацией марганца p =(5-7) · 1018 см-3, RH и µH в интервале температур T = 77-200 K плавно уменьшаются (приблизительно в 2 раза), выше 200 K так же, Рис. 3. Зависимости коэффициента Холла R от температуры как в образцах 1–3, наблюдается резкое уменьшение для подложки образца 6 при H = 10 и3 кЭ(сплошные линии) коэффициента Холла RH и подвижности µH.

и для образца InAs : Mn с p = 8 · 1018 см-3 при H = 10 кЭ [4] Измерения на образцах 4–6 при H = 3кЭ со стороны (штриховая). На вставке — зависимость RH от температуры подложки (штриховые линии на рис. 2, a и 2, b) при для гетероструктуры образца 6, H = 3кЭ.

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 904 Т.С. Лагунова, Т.И. Воронина, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Е. Самохин, Ю.П. Яковлев тивление (ОМС), которое возрастает пропорционально H2 до 5 кЭ, а при более высоких полях (H > 10 кЭ) стремится к насыщению. При измерении образцов 4-со стороны подложки (штриховая кривая на рис. 4) также наблюдается ОМС, но величина его значительно меньше (менее 1%).

ОМС в зависимости от температуры при H = 3кЭ для образцов 4–6, измеренных со стороны эпитаксиального слоя, представлено на рис. 5. Видно, что наблюдается слабая зависимость от температуры до 200 K, а выше 200 K ОМС резко падает, но даже при T = 300 K наблюдается вклад отрицательного магнитосопротивления (порядка 1%). Измерения температурной зависимости ОМС со стороны подложки были затруднительны из-за малости эффекта.

Таким образом, из экспериментальных данных, представленных на рис. 1-3, следует, что транспортные свойства гетероструктур p-GaInAsSb/p-InAs : Mn, выращенных на подложках с концентрацией p = = (5-7) · 1018 см-3 (образцы 4–6), принципиально отличаются от аналогичных гетероструктур, выращенРис. 4. Зависимости поперечного магнитосопротивления ных на слабо легированных подложках с концентрацией / от напряженности магнитного поля H при T = 77 K.

p = 1017 см-3 (образцы 1–3), и это может быть связано Номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

только с различными свойствами подложки.

Штриховая линия — / при измерении со стороны подложки образца 6. Штрихпунктирная — результаты работы [4], 3. Обсуждение экспериментальных p = 8 · 1018 см-3, T = 4.2K.

результатов Рассмотрим вначале транспортные свойства в подложке p-InAs : Mn с концентрацией p =(5-7) · 1018 см-3, а затем в электронном канале в структуре p-GaInAsSb/ p-InAs : Mn с концентрацией марганца (5-7) · 1018 см-3.

3.1. Свойства подложки p-InAs : Mn с концентрацией p = 7 · 1018 см-Свойства подложки, представленные на рис. 1–4, рассмотрим на примере подложки образца 6. Из значений коэффициента Холла при T = 300 K и H = 20 кЭ (рис. 3) следует, что концентрация дырок в подложке Рис. 5. Зависимости магнитосопротивления от температуры образца 6 равна p = 7 · 1018 см-3. При концентрации при H = 3 кЭ. Номера кривых соответствуют номерам образдырок p = 7 · 1018 см-3 должно наблюдаться постоянцов в таблице.

ство коэффициента Холла независимо от напряженности магнитного поля в интервале температур T = 77-300 K вследствие вырождения электронно-дырочного газа, как ет с ростом напряженности магнитного поля пропорциоэто наблюдалось в p-InAs : Zn с аналогичной конценнально H2. Малый коэффициент магнитосопротивления трацией дырок [5]. Уменьшение коэффициента Холла Br =( /)(c/µ2H2) =0.1-0.2 обусловлен рассеяни- с понижением температуры и напряженности магнитем на ионах примеси, которое является доминирующим, ного поля указывает на аномальный характер зависичто подтверждает высокое качество гетерограницы (от- мости коэффициента Холла (АЭХ), свойственный посутствие шероховатостей, петель дислокаций и других лупроводникам с магнитными примесями. Подобный дефектов).

аномальный эффект Холла в арсениде индия наблюдался В гетероструктурах p-Ga1-xInx Asy Sb1-y /p-InAs : Mn ранее в работе [4] в монокристаллических образцах при всех составах твердого раствора, выращен- InAs : Mn, когда концентрация марганца в образце соных на подложках с концентрацией дырок p = ставляла (5-8) · 1018 см-3. Измеренный коэффициент = (5-7) · 1018 см-3 (образцы 4-6), в отличие от об- Холла резко убывал с понижением температуры и в образцов 1–3, наблюдается отрицательное магнитосопро- ласти температур 45–90 K изменял знак с дырочного Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Взаимодействие носителей заряда с локализованными магнитными моментами марганца... на электронный (см. штриховую линию на рис. 3).

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.