WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Свойства слоев GaSb : Mn, полученных осаждением из лазерной плазмы ¶ + + © Ю.А. Данилов, Е.С. Демидов, Ю.Н. Дроздов, В.П. Лесников, В.В. Подольский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия Институт физики микроструктур Российской академии наук, 603950 Нижний Новгород, Россия + Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Исследованы рентгеновская дифракция, электрические и магнитные свойства слоев GaSb : Mn, нанесенных на GaAs (100) методом осаждения из лазерной плазмы в вакууме. Показано, что пленки, нанесенные при 200-440C, являются эпитаксиальными мозаичными монокристаллами. Легированные Mn слои (до 4ат% Mn) имели концентрацию дырок выше 1 · 1019 см-3. Структуры с GaSb : Mn, выращенные при 200C, имели аномальный эффект Холла. B cлоях GaSb : Mn, выращенных при 440C, наблюдался нормальный эффект Холла, а их отжиг импульсом лазера (длина волны = 0.68 мкм, длительность 25 нс) вызвал увеличение концентрации дырок и появление аномального эффекта Холла при комнатной температуре. Магнитные СВЧ измерения подтвердили ферромагнетизм пленок до 293 K и позволили выявить анизотропию магнетизма.

1. Введение телей заряда. Слои Ga1-xMnx Sb (x 0.04), выращенные при Tg 250C, обладали аномальным эффектом Светоизлучающие структуры и фотоприемники на Холла и отрицательным магнетосопротивлением при основе антимонида галлия (ширина запрещенной зоны низких температурах измерений, что объяснялось приGaSb составляет 0.725 эВ при 300 K) являются пер- сутствием, кроме MnSb, второй ферромагнитной фазы спективными приборами инфракрасного диапазона. Ряд (GaMn)Sb с Tc 25 K [5]. Общепринято считать [6], что параметров этого полупроводника, в частности доста- обменное взаимодействие между спинами атомов Mn в точно высокие подвижности электронов и дырок, спо- твердом растворе (AIIIMn)BV осуществляется посредсобствуют расширению областей применения GaSb [1].

ством свободных дырок (механизм Рудермана–Киттеля– Этому способствовует и современное развитие техно- Касуи–Иосиды).

логии выращивания гетероэпитаксиальных композиций В настоящей работе для выращивания слоев GaSb, лес участием GaSb, в том числе структур с квантовыми гированных Mn, применен метод осаждения из лазерной ямами и квантовыми точками. Кроме того, еще в 1974 г.

плазмы (ОЛП) в вакууме. Одним из преимуществ этого было показано, что сплавы Ga1-xMnx Sb обладают наметода по сравнению с МЛЭ является относительная ряду с полупроводниковыми еще и ферромагнитными простота оборудования. Результаты изучения свойств свойствами при комнатной температуре [2]. Позднее слоев Ga1-x MnxSb, полученных методом ОЛП, привебыло установлено, что магнитные свойства соединений дены далее.

Ga1-xMnx Sb зависят от способа получения материала.

Так, объемные кристаллы Ga1-xMnx Sb, выращенные методом Бриджмена и имеющие x в диапазоне от 0.2. Методика эксперимента до 0.14, являются ферромагнетиками с температурой Кюри (Tc), приблизительно равной 540 K [3]. Свойства Для нанесения пленок GaSb применялся импульстонких ( 0.2мкм) слоев Ga1-x MnxSb, созданных метоный АИГ-лазер, работающий в режиме модулированной дом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) на подлождобротности на длине волны 1.06 мкм. Использована ке GaAs (100), определяются в первую очередь темперавращающаяся комбинированная мишень, состоящая из турой их выращивания (Tg) [4]. Слои, выращенные при пластины монокристаллического нелегированного GaSb, высокой Tg ( 560), содержали кластеры MnSb. При частично закрытой металлическим Mn высокой чистоты.

этом зависимость намагниченности от магнитного поля След испарения лазером материалов представляет собой имела вид петли гистерезиса при комнатной и более окружность, поэтому соотношение длин дуг распыляенизких температурах измерений. Однако эффект Холла мых GaSb и Mn определяло уровень легирования выбыл нормальным, что свидетельствовало об отсутствии ращиваемого слоя. Подложкой служили пластины полувлияния ферромагнитных кластеров на перенос носиизолирующего GaAs с ориентацией (100). Температура ¶ E-mail: danilov@phys.unn.ru осаждения варьировалась в интервале Tg = 200-440C.

Свойства слоев GaSb : Mn, полученных осаждением из лазерной плазмы Рентгенодифракционное исследование структур вы- и легированным Mn в процессе выращивания, покаполнено с помощью прибора ДРОН-4 по двухкри- зан на рис. 1 (кривая 2). Можно отметить некостальной схеме с монохроматором Ge (400) на излу- торое уменьшение интенсивности пика GaSb (400) и чении CuK1. Электрические и магнитотранспортные небольшое смещение его в сторону больших углов характеристики измерены на структурах с индиевыми по сравнению с нелегированным слоем. В работе [3] контактами в геометрии Ван-дер-Пау при температу- отмечалось, что сплавы Ga1-x MnxSb в области составов рах 293 и 77 K. Для исследования магнитных свойств с 0 x 0.14 имеют структуру сфалерита. Используя слоев GaSb : Mn применялся 3-см ЭПР-спектрометр с полученную в [8] формулу для параметра решетки компьютерно-управляемой разверткой поля малоинер- Ga1-xMnx Sb a(x) =a0 - 0.00528x и среднее значение ционного магнита, позволяющей достичь повышенной угла 2 = 60.765 для легированных марганцем слоев, чувствительности при записи широких линий магнит- выращенных при Tg = 350-440C, оцениваем уровень ного резонанса. Измерения поглощения СВЧ мощности легирования Mn величиной x 0.043. Во всех послепроводились при 77 и 293 K при нормальной и па- дующих экспериментах в данной работе поддерживался раллельной ориентациях поля относительно плоскости указанный уровень легирования слоев марганцем.

образца в магнитных полях до 0.45 Тл. При уменьшении температуры выращивания слоя GaSb : Mn наблюдалось монотонное увеличение значений FWHM от 0.4 при Tg = 440C до 0.45 при 3. Результаты и их обсуждение Tg = 350C и 0.5 при Tg = 300C. Пик GaSb (400), хотя и меньшей интенсивности, наблюдался вплоть Рентгенодифракционные спектры /2-сканирования до Tg = 200C. Это свидетельствует о достаточно содля структур GaSb/GaAs, полученных при температуре вершенном эпитаксиальном росте слоя GaSb : Mn при подложки 440C, показаны на рис. 1. В спектрах структемпературах нанесения 200-440C.

туры с нелегированным слоем GaSb (кривая 1) имеются Электрические свойства структур существенным обпики подложки при 2 = 66.05 (отражение GaAs (400)) разом определяются температурой выращивания плеи слоя при 2 = 60.740 (отражение GaSb (400)). Расчет нок GaSb. Нелегированные слои GaSb, выращенпараметра решетки нелегированного GaSb по этому знаные при Tg = 440C, обладали проводимостью p-типа чению 2 дает величину a0 = 0.60959 нм, что совпадает с концентрацией дырок 2 · 1018 см-3 и подвижнос величиной, известной из литературы [1]. Интегральной стью 30-40 см2/В · с. Снижение температуры Tg характеристикой степени структурного совершенства до 200C вызвало увеличение концентрации дырок слоя служила ширина кривой качания, измеренная по до 1.6 · 1019 см-3 и снижение подвижности. В обоих углу поворота кристалла на половине высоты пика случаях слои нелегированного GaSb имели нормальслоя (FWHM) при широко открытой щели детектора [7].

ный эффект Холла, т. е. холловское сопротивление Rxy Величина FWHM для слоя нелегированного GaSb соизменялось пропорционально величине магнитного поставляет = 0.40. Следовательно, слой GaSb предля B, приложенного перпендикулярно плоскости образставляет собой мозаичный монокристалл, эпитаксиально ца. Зависимость Rxy (B) для структуры, выращенной при выращенный на подложке GaAs (100).

Tg = 200C, показана на рис. 2 (кривая 1). Здесь следует Рентгенодифракционный спектр для структуры со слоотметить, что нелегированный GaSb, выращенный и друем GaSb, нанесенным при той же температуре 440C гими методами, обычно имеет p-тип проводимости. Считается [1], что акцепторами, ответственными за такое поведение, могут быть антиструктурные дефекты GaSb.

Доказательством дефектного происхождения дырочной проводимости пленок нелегированного GaSb, выращенных методом ОЛП, служит отмеченное одновременное увеличение концентрации дырок и степени структурного разупорядочения с уменьшением Tg.

Легирование слоев GaSb марганцем в процессе выращивания при Tg = 200C привело к появлению аномального эффекта Холла при комнатной температуре измерений (рис. 2, кривая 2). Расчет параметров слоев в случае аномального эффекта Холла производился по методу [9].

Концентрация дырок при 293 K для слоев GaSb : Mn (Tg = 200C) составила 1.4 · 1020 см-3, что почти на порядок величины выше концентрации в нелегированном слое. Намагниченность насыщения Ms оценена как Рис. 1. Спектры рентгеновской дифракции структур 5.0 · 104 А/м. При температуре измерения 77 K на завиGaSb/GaAs, выращенных при Tg = 440C: 1 — нелегированная, симости Rxy(B) появляется широкая петля гистерезиса, 2 — легировання Mn. Спектр 1 ограничен окрестностью пика GaSb (004). и в доступном диапазоне значений магнитной индукции Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 10 Ю.А. Данилов, Е.С. Демидов, Ю.Н. Дроздов, В.П. Лесников, В.В. Подольский выращенные при Tg = 400C пленки имеют значения Ms = 1.5 · 105 А/м и коэрцитивную силу, равную 49 мТл (оценка произведена из кривых аномального эффекта Холла, измеренных при 293 K), т. е. пленки являются более магнитожесткими, чем выращенные при Tg = 200C.

Приведенные результаты свидетельствуют о наличии ферромагнетизма в исследованных слоях GaSb : Mn, причем Tc > 293 K.

Измерения на ЭПР-спектрометре, выполненные для образцов с выращенными при 440C слоями GaSb : Mn, подтвердили ферромагнетизм выращенных структур.

При обеих температурах измерения 77 и 293 K было обнаружено сильное, зависящее от поля, температуры, ориентации образца и толщины слоя поглощение Рис. 2. Холловское сопротивление при комнатной температу- СВЧ излучения, характерное для ферромагнитного рере в зависимости от величины приложенного магнитного поля зонанса (ФМР) (рис. 3). К сожалению, имевшийся в для нелегированной пленки (1) и для образцов GaSb : Mn с нашем распоряжении диапазон магнитных полей ЭПРx = 0.043 до (2) и после (3) лазерного отжига. Температура спектрометра до 0.45 Тл не позволял снять полный нанесения пленок Tg = 200C.

спектр ФМР. Полагаем, что сильное монотонное возрастание с полем поглощения СВЧ мощности на рис. обусловлено левым крылом спектра ФМР. Анизотропия спектров на рис. 3 согласуется с классической формулой (до 0.4 Тл) насыщение не достигается. Поэтому расчет влияния размагничивающих факторов N на частоту концентрации носителей в этом случае не мог быть ФМР [11]:

выполнен достаточно корректно. Лазерный отжиг слоев GaSb : Mn (Tg = 200C) импульсом излучения с длиной 0 = 2[B0 +(Ny - Nz )µ0M] · [B0 +(Nx - Nz )µ0M], волны = 0.68 мкм, длительностью импульса = 25 нс и плотностью мощности W = 5 · 105-106 Вт/см2 не изгде — магнитомеханическое отношение, µ0 — магнитменил аномального характера эффекта Холла (рис. 2, ная проницаемость вакуума, M — намагниченность, разкривая 3), но привел к увеличению концентрации дырок магничивающие факторы для нормальной к полю оридо 5.1 · 1020 см-3. Намагниченность насыщения в реентации плоскости образца равны Nx = Ny = 0, Nz = 1, зультате отжига не изменялась (5.0 · 104 А/м). Значение для параллельной ориентации Nx = Nz = 0, Ny = 1.

коэрцитивной силы невелико и составило 8.5мТл.

С увеличением толщины слоя роль размагничивающего Структуры со слоями GaSb : Mn, выращенными при фактора возрастает. Температурный сдвиг согласуется с более высокой температуре, Tg = 440C, имели норестественным уширением линий ФМР с ростом теммальный эффект Холла как при комнатной температуре пературы. Эти факты подтверждают ферромагнетизм измерений, так и при 77 K. Концентрация дырок сов слоях GaSb : Mn вплоть до температуры измереставляла 5 · 1019 и 1.5 · 1019 см-3 при температурах ния 293 K. Сильное собственное магнитное поле может измерений 293 и 77 K соответственно. Отжиг структур свидетельствовать о том, что при среднем содержании GaSb : Mn (Tg = 440C) одиночным импульсом лазера марганца 4 ат% образуются включения фазы MnSb, приводил к появлению аномального эффекта Холла.

которая является ферромагнитной с Tc = 587 K [11].

В результате такой обработки концентрация дырок в Однако высокое кристаллическое качество слоев свислоях существенно (до значений выше чем 5 · 1020 см-3) детельствует об образовании также твердого раствора возрастала.

Ga1-xMnx Sb (который, по данным [3], при x > 0.Сравнение электрических свойств нелегированных может быть ферромагнетиком с Tc выше комнатной) и легированных Mn слоев GaSb свидетельствует об с таким же типом кристаллической решетки, как и акцепторном действии легирующих атомов марганца.

нелегированный антимонид галлия.

Это согласуется с расчетом [10], согласно которому На рис. 3 можно наблюдать характерные для обычноакцепторный уровень „2+/3+“ Mn на месте Ga в GaSb го ЭПР колоколообразные широкие резонансные пики должен располагаться на 0.6 эВ ниже потолка валентной (ширина B 0.22 Тл) с эффективными значениями зоны. При этом 3d5-ионы Mn2+ (Ga3+) в состоянии S5/2 g-фактора около 2 и 4, свидетельствующие о пространs создают мелкий водородоподобный акцепторный уроственно неоднородном распределении марганца в слоях.

вень Кона–Латтинджера вблизи потолка валентной зоВ связи с этим можно предположить наличие в выраны GaSb.

щенных слоях, наряду с парамагнитным твердым расПри выбранном уровне легирования Mn пленок твором Ga1-x MnxSb с невысокими значениями x, двух GaSb их магнитные свойства, так же как и электри- ферромагнитных фаз с разными Tc: твердого раствора ческие, определяются температурой выращивания. Так, Ga1-xMnx Sb (x > 0.03) и включений MnSb. Спектры Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Свойства слоев GaSb : Mn, полученных осаждением из лазерной плазмы в пленках GaSb : Mn как включений MnSb ( при более высоких температурах выращивания), так и твердого раствора Ga1-x MnxSb, обладающего ферромагнитными свойствами при комнатной температуре. Механизм ферромагнетизма с Tc > 293 K в пленках GaSb : Mn, нанесенных ОЛП, пока полностью не ясен, хотя перспективы их практического применения в приборах спинтроники несомненны.

4. Заключение Таким образом, показана возможность выращивания эпитаксиальных слоев GaSb : Mn на полуизолирующем арсениде галлия методом осаждения из лазерной плазмы. Электрические и магнитные свойства пленок существенным образом зависят от температуры их нанесения. Слои GaSb : Mn имеют электрические свойства вырожденного полупроводника и обладают ферромагнетизмом с температурой Кюри выше комнатной температуры.

Работа выполнена при поддержке Программы РАН „Спин-зависимые эффекты в твердых телах и спинтроника“ и РФФИ (грант № 03-02-16777).

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.