WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

В работе [4] показано, что когда концентрация Mn в арсениде индия становится больше 1018 см-3, он способен с понижением температуры изменять свой заряд с 3 на 2, при этом изменяется соотношение между конфигурациями 3d4 и 3d5, что приводит к уменьшению концентрации дырок в валентной зоне и появлению ионов Mn с конфигурацией 3d5. Такое явление в AIIIBV происходит только в InSb [6] и в InAs [7,8], в которых Mn, как акцепторная примесь, имеет энергию активации EA 0.03 эВ, что близко к водородоподобной модели, в отличие от GaAs и InP, где Mn представляет собой многозарядный глубокий акцепторный уровень с EA 0.1эВ [8]. В p-InAs : Mn марганец создает мелкий примесный уровень с энергией, согласно водородоподобной модели EA =(0.028 - aN1/3) эВ, где a = 1.31 · 10-8 эВ · см. При p = 4 · 1018-1019 см-3 Рис. 6. Зависимость RIMn от обратной температуры: 1 —для происходит перекрытие электронных оболочек соседних подложки образца 6, H = 10 кЭ; 2 —для нее же при H = 3кЭ;

атомов и сближение примесных уровней с валентной 3 — для InAs : Mn с p = 8 · 1018 см-3 при H = 10 кЭ из зоной. работы [4].

Наблюдаемый аномальный эффект Холла объясняется специфическим обменным взаимодействием носителей заряда с магнитными примесями марганца. Эксперименколичествах, наблюдается отклонение от закона Кюри.

тально измеренный коэффициент Холла Rexp с понижеНа энергетическую схему ионов марганца с конфигуранием температуры определяется алгебраической суммой цией 3d4 существенное влияние оказывает расщепление нормального коэффициента Холла R, вызванного дейэнергетических уровней кристаллическим полем и спинствием силы Лоренца на носители тока, и аномального орбитальным взаимодействием. В этой области темпекоэффициента Холла RIMn, связанного с намагниченноратур средняя величина магнитного момента иона марстью образца и спин-орбитальным взаимодействием [9]:

ганца зависит от заселенности различных уровней его Rexp = R + RIMn, (1) мультиплета и, следовательно, от температуры. Линейная зависимость магнитной восприимчивости в области где Mn — магнитная восприимчивость, RIMn — коэфнизких температур определяется формулой [7] фициент Холла, определяемый магнетизмом марганца.

На рис. 6 представлена зависимость RIMn от обрат = ng2µBS2/kT, (3) Z ной температуры для образца, приведенного в работе [4] (рис. 6, кривая 3), и для подложки образца 6 (кривая 1) где ориентированный спиновый момент SZ = ±2, g = 2.

при H = 10 кЭ и (кривая 2) при H = 3 кЭ. Видно, что Исследования в работе [7] показали слабую зависипри H = 10 кЭ эти зависимости линейны в интервале мость от ориентации, и для формулы (3) получили температур 77–200 K. В области низких температур значения произведения gSZ = 2.3, при этом n = N — (T 77 K), с появлением ионов марганца в зарядовом полная концентрация ионов марганца.

состоянии Mn3+ (d4) в больших количествах, наблюдаетСопоставляя наши данные для RIMn при H = ся отклонение от линейной зависимости (см. кривую 3).

и 3 кЭ для подложки образца 6 (рис. 6, кривые Можно полагать, что линейный характер зависимои 2), можно видеть, что с понижением напряженности сти RIMn от обратной температуры в области высоких магнитного поля отклонение от линейной зависимости, температур определяется в основном магнитной восхарактеризующей закон Кюри, наблюдается при более приимчивостью Mn, которая также линейно зависит от высоких температурах вследствие увеличения конценобратной температуры. Закон Кюри, характеризующий трации марганца в состоянии Mn3+(d4). Можно предмагнитную восприимчивость двухзарядных ионов марполагать, что эффект спин-орбитального взаимодействия ганца Mn2+ (d5), определяется формулой [4].

при H = 3 кЭ начинает проявляться при более высоких температурах.

Mn = NµBg2S(S + 1)/3kT, (2) О спиновом взаимодействии носителей заряда с маггде N — концентрация ионов марганца, S = 5/2 —спи- нитными ионами марганца свидетельствует и существоновый момент, g = 2 — фактор Ланде, µB — магнетон вание ОМС. В подложке образца 6 оно составляет при Бора. T = 77 K менее 1% (рис. 4, штриховая линия). Большое В области низких температур, с появлением ионов ОМС наблюдалось в работе [4] только при гелиевых марганца в зарядовом состоянии Mn3+ (d4) в больших температурах (рис. 4, штрихпунктирная кривая).

Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 906 Т.С. Лагунова, Т.И. Воронина, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, Е. Самохин, Ю.П. Яковлев 3.2. Свойства электронного канала на гетеропереходе p-GaInAsSb/p-InAs : Mn Из экспериментальных данных, представленных на рис. 1–4, следует, что транспортные свойства гетероструктур p-GaInAsSb/p-InAs : Mn, выращенных на подложках с концентрацией p 5 · 1018 см-3 (образцы 4-6), принципиально отличаются от аналогичных свойств гетероструктур, выращенных на слабо легированных подложках с концентрацией p = 1017 см-3 (образцы 1-3), и это нельзя объяснить простым шунтированием подложкой, как в случае легирования немагнитными примесями, например цинком [5].

Проанализируем полученные результаты для образцов 4–6, измеренных со стороны эпитаксиального слоя, в рамках трехслойной модели по формуле Рис. 7. Зависимости эффективного магнитного момента 2 2 µHnh = µ1 p1h1 + µ2 p2h2 - µ3n3h3, (4) ионов Mn µ = µ/µB от магнитного поля H. Номера кривых соответствуют номерам образцов в таблице.

где h — общая толщина образца, n, p и µH —экспериментально измеренные концентрация и подвижность носителей заряда, индексы 1, 2, 3 относятся соответственно к эпитаксиальному слою твердого раствора, в структурах с электронным каналом, наблюдаемый при подложке и электронному каналу. Мы установили, что H = 3 кЭ при температурах T = 77-200 K, может быть в образцах 4–6, измеренных со стороны эпитаксиобусловлен магнитными свойствами подложки и взаимоального слоя, при H 5 кЭ в интервале температур действием ионов марганца Mn3+ (d4) с электронами на T = 77-200 K преобладает электронный тип проводигетерогранице.

мости, а вклад эпитаксиального слоя твердого раствора Как мы видели ранее (рис. 4, 5), в гетероструктурах p-типа и подложки p-типа в общий измеряемый эффект p-GaInAsSb/p-InAs : Mn при сильном легировании подначинает заметно сказываться только при более высоких ложки марганцем (образцы 4–6) наблюдается отрицатемпературах и напряженностях магнитного поля.

тельное магнитосопротивление в отличие от аналогичТаким образом, можно сделать вывод, что в магнитных гетероструктур, изготовленных на слабо легированных полях H 5кЭ и при T 200 K при измерениях ных марганцем подложках (образцы 1–3), где наблюдасо стороны твердого раствора мы изучаем электронный лось положительное магнитосопротивление. Появление канал на гетеропереходе p-GaInAsSb/p-InAs: Mn при ОМС в гетероструктурах с электронным каналом так всех составах твердого раствора.

же, как в сильно легированных марганцем подложках, В гетероструктурах p-GaInAsSb/p-InAs : Mn при коннаблюдается одновременно с проявлением АХЭ. Однако центрации марганца в подложке p =(5-7) · 1018 см-3 величина ОМС в таких структурах достигает 30% при коэффициент Холла RH и подвижность µH в электрон77 K, в то время как в объемном образце арсенида индия, ном канале (образцы 4–6) на порядок ниже, чем в анасильно легированного марганцем, такой эффект достигалогичных структурах, но выращенных на подложках ется только при T = 4.2K (рис. 4, штрихпунктир).

с концентрацией марганца p = 1017 см-3 (образцы 1–3).

На рис. 4 можно видеть, что при T = 77 K заЭто может быть связано с изменением энергетической висимость ОМС от напряженности магнитного поля структуры гетероперехода из-за расщепления уровней имеет классический характер: оно пропорционально Hмарганца кристаллическим полем и спин-орбинальным в слабом магнитном поле (H 5кЭ) и насыщается при взаимодействием. Исходя из полученных ранее оцеH > 10 кЭ. При этом даже при дырочной проводимости нок энергетического канала и зависимости ширины при H 18 кЭ не появляется иных эффектов, кроме электронного канала от подвижности [2], подвижность ОМС. Появление ОМС на гетерогранице может быть 500-3000 см2/В · с соответствует эффективной ширине связано только со взаимодействием носителей заряда канала 100–200.

с магнитными моментами ионов марганца в InAs : Mn.

Зависимость RH от обратной температуры в образце Полученные экспериментальные результаты при всех (рис. 6) в электронном канале при T = 77-200 K имеет составах твердого раствора хорошо описываются фортакой же характер, как и при измерениях коэффициента мулой, данной в работе [10]:

Холла в объемном образце InAs : Mn с концентрацией дырок p = 8 · 1018 см-3 при более низких температу /exp = /satth2(µH/kT), (5) рах (T < 50 K), когда преобладает марганец в зарядовом состоянии Mn3+ (d4), что, как говорилось выше, где µ — магнитный момент ионов марганца.

объясняется проявлением спин-орбитального взаимодей- Зная зависимость / от напряженности магнитного ствия. Исходя из этого можно предположить, что АЭХ поля, можно вычислить магнитный момент µ. На рис. Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Взаимодействие носителей заряда с локализованными магнитными моментами марганца... видно, что при всех составах твердого раствора при 4. Большая величина эффективного магнитного моT = 77 K в магнитных полях H 5кЭ, когда ОМС мента (µ = 200µB), определенного из ОМС, свидетельквадратично зависит от магнитного поля, магнитный мо- ствует о высокой степени намагниченности гетерограмент µ = 200µB. Большая величина магнитного момента ницы, что связано со специфическими особенностями создает большую магнитную энергию µH, которая при взаимодействия электронов в электронном канале с магH = 5 кЭ становится сравнимой с тепловой энергией нитными примесями марганца в подложке.

kT вплоть до 200 K. Появление такого большого ОМС Работа частично поддержана грантом РФФИ, проект при T = 77 K наблюдается только на гетероструктурах № 02-02-17633.

в электронном канале. В объемном p-InAs : Mn при аналогичном уровне легирования марганцем такая величина ОМС наблюдалась только при T = 4.2K [4]. Список литературы Величина /sat определяет концентрацию магнит[1] Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, М.П. Михайлова, К.Д. Моиных центров Nm [9]. Из наших экспериментов видно, что сеев, Ю.П. Яковлев. ФТП, 30, 985 (1996).

чем выше подвижность электронов на гетерогранице, [2] Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, М.П. Михайлова, К.Д. Моитем больше концентрация магнитных центров.

сеев, А.Е. Розов, Ю.П. Яковлев. ФТП, 32, 215 (1998).

Можно сделать вывод, что ОМС определяется обмен[3] Т.И. Воронина, Т.С. Лагунова, М.П. Михайлова, К.Д. Моиным спин-орбитальным взаимодействием ионов маргансеев, А.Е. Розов, Ю.П. Яковлев. ФТП, 34, 194 (2000).

ца с s-электронами в канале. Спин-орбитальное взаи[4] Д.Г. Андрианов, В.В. Каратаев, Г.В. Лазарева, Ю.Б. Мурамодействие эквивалентно действию мощного квазимагвлев, А.С. Савельев. ФТП, 11, 1252 (1977).

нитного молекулярного поля [11] на спины внешних [5] Ф.П. Кесаманлы, Т.С. Лагунова, Д.Н. Наследов, Л.Д. Николаева, М.Н. Пивоваров. ФТП, 2, 56 (1968).

s-электронов в канале. Сильное „квазимагнитное“ поле [6] Д.Г. Андрианов, Г.В. Лазарева, А.С. Савельев, В.И. Фисо стороны ионов марганца ориентирует спины электростуль. ФТП, 10, 568 (1976).

нов и при наложении внешнего магнитного поля наблю[7] Д.Г. Андрианов, А.С. Савельев. ФТП, 14, 539 (1980).

дается большое ОМС, пока преобладает проводимость [8] Э.М. Омельяновский, В.И. Фистуль. Примеси переходных в электронном канале.

металлов в полупроводниках (М., Металлургия, 1983).

Полученная величина магнитного момента µ = 200µB [9] С.В. Вонсовский. Современное учение о магнетизме позволяет по формуле (4) оценить магнитную воспри(М., 1953).

имчивость на гетерогранице, = 10-2 ед.CGSE/см-3, [10] Э.И. Заварицкая, И.Д. Воронова, Н.В. Рождественская.

на 3 порядка выше, чем в подложке.

ФТП, 6, 1945 (1972).

[11] H. Ohno. Phys. Rev. Lett., 68, 2664 (1992).

Редактор Т.А. Полянская 4. Заключение Interaction of charge carriers with Экспериментальные исследования транспортных свойств гетероструктур p-GaInAsSb/p-InAs: Mn с вы- localized magnet moments of manganese соким содержанием марганца в подложке позволяют in p-GaInAsSb/p-InAs : Mn сделать следующие выводы.

heterostructures 1. В гетероструктурах p-Ga1-x InxAsy Sb1-y /p-InAs : Mn T.S. Lagunova, T.I. Voronina, M.P. Mikhailova, с нелегированными слоями твердых растворов, близK.D. Moiseev, E. Samokhin, Yu. P. Yakovlev ких по составу к GaSb (x 0.22), при концентрации дырок в подложке p =(5-7) · 1018 см-3 на геIoffe Physicotechnical Institute, терогранице со стороны арсенида индия существует Russian Academy of Sciences, электронный канал, в котором подвижность электронов 194021 St. Petersburg, Russia µH = 500-3000 см2/(В · с).

2. В структурах с электронным каналом наблюдается

Abstract

Magnetotransport properties of p-Ga1-x Inx Asy Sb1-y / аномальный эффект Холла (АЭХ) и отрицательное магp-InAs : Mn heterostructures grown by liquid phase epitaxy нитосопротивление (ОМС) и определяются они обменwith undoped quaternary layers of solid solutions (x 0.22) ным s-d-взаимодействием ионов марганца в подложке have been studied at Mn content in InAs substrate being с s-электронами в канале на гетерогранице.

p =(5-7) · 1018 cm-3. It has been found that there is an electron 3. АЭХ и ОМС в гетероструктурах наблюдаются при channel at the interface of these heterostructures. Anomalous Hall более высоких температурах, чем в подложке InAs : Mn.

effect and negative magnetoresistance have been observed in the В частности, АЭХ наблюдается в гетероструктурах 77–200 K temperature range. These effects can be related to s-d с электронным каналом при T = 77 K, а в объемных exchange interaction of Mn iones with two dimensional electrons образцах — только при T < 30 K; ОМС наблюдается in the channel at the interface. Effective magnet moment of Mn в структурах с электронным каналом при 77 K, а в объiones was evaluated as µ = 200µB.

емных образцах такой же эффект можно увидеть только при T = 4.2K.

Pages:     | 1 ||



© 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.