WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 9 Формирование кластеров и магнитооптический эффект Керра в арсениде галлия, легированном имплантацией ионов марганца © Ю.А. Данилов, А.В. Круглов, M. Behar, M.C. dos Santos, L.G. Pereira, J.E. Schmidt Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Insituto de Fsica — Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 91501-970 Porto Alegre, RS, Brazil E-mail: danilov@phys.unn.ru (Поступила в Редакцию 5 октября 2004 г.) Методами атомно-силовой микроскопии и магнитооптического эффекта Керра при комнатной температуре исследованы морфология поверхности и магнитные свойства GaAs, облученного ионами марганца. Показано, что ферромагнетизм имеет место в приповерхностных слоях имплантированного полупроводника, подвергнутого термическому отжигу в диапазоне 715-750C. Магнитные свойства слоев связаны с эволюцией системы кластеров субмикронных размеров в GaAs : Mn.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 03-0216777), FAPERGS (Fundaco de Amparo Perquisa do Estado do Rio Grande do Sul, Brasil, грант № 00/60065.9) и программы РАН „Спин-зависимые эффекты в твердых телах и спинтроника“.

1. Возможность управления ориентацией спина элек- ца с Ga или/и As. Известно, что соединения GaMn тронов открывает перспективы для нового поколения и MnAs являются ферромагнетиками с температурой электронных устройств — приборов спинтроники [1,2]. Кюри соответственно 723 и 313 K [7]. Показано, что Важнейшим элементом таких приборов могут быть об- состав кластеров в имплантированных марганцем слоях ласти полупроводниковой матрицы, обладающие ферро- зависит от атмосферы, в которой проводился термичемагнитными свойствами и способные задавать и распо- ский отжиг [8].

знавать ориентацию спинов электронов при транспорте Однако роль температуры постимплантационного относителей. В качестве основного кандидата на роль жига в формировании ферромагнитных слоев не совсем базового полупроводникового материала спинтроники в ясна. В данном сообщении приведены результаты иссленастоящее время рассматривается GaAs, легированный дования влияния температуры и длительности быстрого марганцем. Для создания однородных слоев GaAs : Mn термического отжига на свойства GaAs, облученного используется низкотемпературная молекулярно-лучевая ионами марганца. Кроме метода атомно-силовой миэпитаксия [3]. В этом процессе концентрация марганца кроскопии (АСМ) использована методика измерения обычно находится в диапазоне 3-7 at.%. Температура магнитооптического эффекта Керра (МОЭК) [9], котоКюри в сформированных таким образом слоях имеет рый используется обычно для исследования магнитных значение 110 K, а ферромагнетизм появляется за счет свойств металлов и металлических пленок на полупродырочного механизма обменного взаимодействия [4]. водниковых подложках (см., например, [10]).

Альтернативным методом формирования ферромаг- 2. Полуизолирующий GaAs с ориентацией (100) был нитных полупроводниковых слоев является ионная им- облучен ионами Mn+ с энергией 50 keV и доплантация [5]. Особенность ионной имплантации как ме- зой 5 · 1016 cm-2. Имлантации выполнялись на ускотода легирования состоит в возможности введения пре- рителе HVE-450; температура мишени поддерживалась дельно высоких концентраций атомов примеси. В этом постоянной (около -10C), а плотность ионного тослучае для системы GaAs : Mn последующий термиче- ка была 0.5 µA/cm2. Для исключения каналироваский отжиг, необходимый для восстановления кристал- ния плоскость образцов была наклонена на 10 по лической структуры полупроводника, может приводить отношению к оси ионного пучка. Облученные ионами к формированию кластеров [6]. Отмечено появление образцы отжигались в установке быстрого термического ферромагнитных свойств у GaAs, имплантированного отжига внутри кварцевой трубы с нагревом галогенными большими дозами (> 1 · 1015 cm-2) ионов Mn, при- лампами и компьютерным контролем температуры и чем температура Кюри была выше комнатной темпе- времени процесса. Отжиг происходил в потоке аргона, ратуры. Очевидно, что механизм ферромагнетизма в а образцы располагались на кремниевой подложке обионно-имплантированных слоях GaAs : Mn отличается лученной стороной вниз для предотвращения испареот упомянутого выше в эпитаксиальных структурах: ния мышьяка. Температура отжига (Ta) варьировалась ферромагнитными являются непосредственно кластеры, от 600 до 900C, а длительность процесса — от представляющие собой химические соединения марган- до 60 s.

1568 Ю.А. Данилов, А.В. Круглов, M. Behar, M.C. dos Santos, L.G. Pereira, J.E. Schmidt поненте намагниченности, параллельной приложенному магнитному полю [9]. Все измерения выполнены при комнатной температуре.

На рис. 1 показана зависимость магнитооптического сигнала от величины приложенного магнитного поля для имплантированных образцов, отожженых при температурах 700, 725 и 750C. Видно, что для двух последних температур отжига зависимости намагниченности образца от приложенного магнитного поля обнаруживают гистерезис. Намагниченность насыщения (Ms ) при выбранных условиях ионой имплантации определяется длительностью и температурой отжига. При длительности процесса термообработки (ta ) 10 s Ms имеет Рис. 1. Кривые намагничивания, определенные методом эфмаксимальную величину при Ta = 725C. На рис. фекта Керра, для образцов GaAs, имплантированного ионапоказана зависимость величины Ms от температуры ми Mn+ и отожженного при различных температурах быстроотжига. Можно отметить, что ферромагнетизм (по крайго (10 s) отжига: 1 — 700, 2 — 725 и 3 — 750C.

ней мере, регистрируемый методом эффекта Керра) появляется в достаточно узком диапазоне температур отжига Ta = 715-750C. Следует также обратить внимание на значения коэрцитивной силы Hc: они практически одинаковы для Ta = 725 и 735C (для этой температуры кривая намагничивания на рис. 1 не показана) и составляют приблизительно 1000 и 1050 Oe соответствено, и несколько уменьшаются (до 700 Oe) для Ta = 750C. Кривые намагничивания также зависят от длительности отжига при выбраной температуре Ta.

В частности, для Ta = 725C максимальное значение намагниченности насыщения имеет место при ta = 20 s, а затем снижается в 3 раза при дальнейшем увеличении продолжительности отжига до 30 s. При этом коэрцитивная сила изменяется незначительно: от 1000 Oe (при ta = 10 s) до 850 и 1050 Oe при увеличении времени отжига до соответственно 20 и 30 s.

4. Исследования методом АСМ выполнены в контактном режиме на сканирующем зондовом микроскопе „Accurex“ производства компании TopoMetrix (США).

Рис. 2. Соотношение между намагниченностью насыщения Ms Использовались тонкопленочные V-образные Si3N4 кани температурой быстрого (10 s) отжига.

тилеверы с пирамидальными зондами (отношение высоты зонда к ширине основания = 1:1, радиус закругления зонда < 50 nm). Измерения выполнены на воздухе при комнатной температуре. Как исходный GaAs, так и об3. Свойства приповерхностных слоев имплантированлученные, но неотожженные образцы имеют достаточно ного GaAs исследовались с помощью магнитооптическогладкую поверхность (перепад высот не более 1-2nm).

го эфффекта Керра, который заключается во влиянии Отжиг при температуре 700C приводит к форминамагниченности твердого тела на интенсивность и рованию на поверхности мозаичной структуры с отполяризацию отраженного света. В настоящем исследельными зародышами наноостровков высотой 4-6nm довании использовалось линейно поляризованное из(рис. 3, a). Кластеры появляются после отжига при лучение He–Ne лазера ( = 633 nm) с выходной мощTa > 700C, их высота увеличивается до 50 nm для ностью 15 mW. В качестве поляризатора использоваTa = 725C (рис. 3, b), и при дальнейшем возрасталась призма Глана–Томпсона. Угол падения света был нии Ta уменьшается до величны 20-30 nm (рис. 3, c).

равен 60 относительно нормали к плоскости образца.

В плоскости образцов кластеры имеют форму, близкую После отражения свет направлялся в анализатор и к круговой. На рис. 4 показана эволюция размеров и попадал на фотодиод. Магнитное поле электромагнита повeрхностной плотности кластеров с изменением темвсегда было направлено вдоль плоскости образца и пер- пературы отжига. Следует отметить, что латеральный пендикулярно плоскости падения света (т. е. использова- диаметр кластеров не менее чем на порядок величины на экваториальная геометрия эффекта). В этом случае превышает их высоту (рис. 4, c и b соответственно).

изменения отражательной способности света, поляри- Следовательно, кластеры формируются в форме выпукзованного в плоскости падения, пропорциональны ком- лых линз. Поверхностная плотность (рис. 4, a) кластеров Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. Формирование кластеров и магнитооптический эффект Керра в арсениде галлия, легированном... мирования кластеров при постимплантационном отжиге может быть представлен следующим образом. При достижении в ходе нагрева ионно-имплантированными образцами температуры 300-400C начинается процесс эпитаксиальной рекристаллизации аморфизованного слоя от подложки. В ходе дальнейшего роста температуры образцов (нагрев до заданной температуры отжига осуществлялся со скоростью 35C/s) скорость рекристаллизации резко увеличивается и при температуре 390-400C составляет, согласно данным [12], величину порядка 100 nm/s. Ясно, что рекристаллизация заканчивается до достижения температуры отжига 700C.

Выдержка в течение 10 s приводит к улучшению кристаллического совершенства имплантированного слоя;

формируется сильно пересыщенный твердый раствор Mn в GaAs, который отчасти подобен слою GaAs : Mn, выращенному путем низкотемпературной молекулярнолучевой эпитаксии.

Рассчитанное с помощью программы TRIM распределение атомов Mn, имплантированного в CaAs, имеет максимум, который располагается на глубине 28 nm.

При выбранной дозе имплантации рассчитанная концентрация атомов марганца в максимуме распределения составляет 1.2 · 1022 cm-3, что равно приблизительно 27 at.%. Отметим, что равновесный предел растворимости Mn в GaAs составляет 8 · 1019 cm-3 [13].

Известно, что распад пересыщенного твердого раствора обусловлен стремлением системы к минимуму свободной энергии, при этом может происходить „восходящяя“ диффузия против градиента концентрации. Тем не менее кинетика формирования преципитатов новой фазы определяется обычным коэффициентом диффузии примеси в матричном кристалле [14]. Коэффициент диффузии Mn в GaAs при температуре 700C еще недостаточно высок для того, чтобы произошел распад твердого раствора, и поэтому зародышеобразование еще только начинается. Оценка характерной длины диффузии 2(Dt)0.5 при температуре 700C и длительности 10 s Рис. 3. АСМ-изображения морфологии поверхности GaAs, из данных [15] дает величину 0.15 µm. При дальимплантированного ионами Mn+ и отожженного в течение 10 s нейшем увеличении Ta до 725C коэффициент диффупри: 700 (a), 725 (b) и 800C (c).

зии Mn в GaAs увеличивается, и это вызывает формирование кластеров. Отметим, что среднее расстояние между кластерами, согласно данным АСМ, составляет имеет минимум 3 · 107 cm-2 для Ta = 725C и увели- приблизительно 2.5 µm для Ta = 725C. Аналогичная чивается до 5 · 108 cm-2 для Ta = 800C. приведенной выше оценка длины диффузии атомов мар5. Имплантированный ионами Mn+ неотожженный ганца при 750C (ta = 10 s) из данных [15] дает значеарсенид галлия при выбранных условиях облучения ние 0.7 µm. Это значение несколько ниже половины является аморфным. Об этом свидетельствует как спе- среднего расстояния между кластерами, но необходимо цифическое изменение оптических свойств поверхности принять во внимание, что имплантированный слой соматериала (появление „молочной“ окраски), так и дан- держит избыточную по сравнению со случаем обычной ные, полученные методом резерфордовского обратного термической диффузии [15] концентрацию вакансий. Порассеяния/каналирования ионов He+ с энергией 1 MeV этому следует ожидать некоторого ускорения диффузии (результаты будут опубликованы в отдельной работе). атомов марганца по сравнению с приведенной выше Согласно расчетам, выполненным с помощью програм- оценкой [14].

мы TRIM [11], глубина нарушенного слоя в GaAs, Исходя из результатов, представленных на рис. 4, облученном ионами Mn+ с энергией 50 keV, составляет можно полагать, что в зависимости от температуры приблизительно 100 nm. В общих чертах процесс фор- отжига Ta в Mn+-имплантированном GaAs развивается 3 Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1570 Ю.А. Данилов, А.В. Круглов, M. Behar, M.C. dos Santos, L.G. Pereira, J.E. Schmidt При температурах отжига выше 750C происходит перестройка как геометрических характеристик кластеров, так и, вероятно, их состава. Возможно появление избытка марганца в кластерах. Известно, что металлический марганец является антиферромагнетиком с температурой Нееля 100 K [17], т. е. при комнатной температуре Mn — парамагнетик.

Следует указать, что появление двух отдельных систем кластеров может быть связано со спецификой быстрого отжига. Образцы GaAs в процессе их нагрева до заданной Ta 800C настолько быстро проходят полосу температур, характерную для формирования системы I, что крупные кластеры не успевают сформироваться.

Укажем с связи с этим, что для отжига при 725C в течение 5 s на кривой намагничивания петли гистерезиса не наблюдалось. При использовании же термических установок резистивного типа с медленным нагревом (порядка нескольких минут) сначала будет сформирована система кластеров I, а при выходе на заданную температуру эта система будет эволюционировать, вероятно, в сторону укрупнения преципитатов и снижения их плотности.

Список литературы [1] J. Gregg, W. Allen, N. Viart, R. Kirschman, C. Sirisathitkul, J.-P. Schille, M. Gester, S. Thompson, P. Sparks, V. Da Costa, K. Ounadjela, M. Skvarla. J. Magn. Magn. Mater. 175, 1 (1997).

[2] D.K. Young, J.A. Gupta, E. Johnston-Halperin, R. Epstein, Y. Kato, D.D. Awschalom. Semicond. Sci. Technol. 17, 275 (2002).

[3] H. Ohno, A. Shen, F. Matsukura, A. Oiwa, A. Endo, S. Katsumoto, Y. Iye. Appl. Phys. Lett. 69, 3, 363 (1996).

Рис. 4. Изменение средних плотности (a), высоты (b) и [4] H. Ohno. Science 281, 5379, 951 (1998).

горизонтального размера (c) кластеров при варьировании [5] А.Ф. Хохлов, П.В. Павлов. Письма в ЖЭТФ 24, 4, температуры отжига (ta = 10 s).

238 (1976).

[6] J. Shi, J.M. Kikkawa, R. Proksch, T. Schaffer, D.D. Awschalom, G. Medeiros-Ribeiro, P.M. Petroff. Nature 337, 707 (1995).

[7] M. Tanaka. Mat. Sci. Eng. B 31, 117 (1995).

одна из двух систем кластеров. Система I характе[8] K. Ando, A. Chiba, H. Tanoue, F. Kirino, M. Tanaka. IEEE ризуется значительными горизонтальными размерами Trans. Magnetics 35, 5, 3463 (1999).

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.