WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 10 05;06;11;12 Влияние шероховатости подложек GaAs (001) на магнитные свойства эпитаксиальных пленок Fe © С.Л. Высоцкий, А.С. Джумалиев, Г.Т. Казаков, Ю.А. Филимонов, А.Ю. Цыплин Саратовский филиал Института радиотехники и электроники РАН, 410019 Саратов, Россия E-mail: fil@sfire.saratov.su (Поступило в Редакцию 26 октября 1999 г.) Методом ферромагнитного резонанса исследуется влияниие шероховатости поверхности подложек GaAs (001) на магнитные свойства пленок Fe толщиной t 12... 140, полученных молекулярно-лучевой эпитаксией при комнатной температуре и скоростях осаждения 9 и 3 /min. Для пленок, выращенных на подложках с величиной среднеквадратичного отклонения амплитуды шероховатости 10 и 30, обнаружено, что вид спектра существенно определяется соотношением толщины пленки t и величины. При толщинах t и t 3 в спектре наблюдается одиночная линия поглощения, тогда как при t 3 — две линии поглощения. Отмеченные особенности спектров связываются с островковым характером роста пленки и влиянием шероховатости на процесс сращивания островков.

Введение GaAs, с другой — широким использованием GaAs при разработке планарных интегральных микросхем и перМагнитные свойства тонких эпитаксиальных металли- спективами использования структур Fe/GaAs в устройческих пленок и многослойных структур на их основе ствах спин-зависимой наноэлектроники. Для получения исследуются как в связи с возможностью широкого прак- пленок Fe используются подложки GaAs ориентаций тического использования таких структур, так и их воз- (110) [14–17], (001) [18–26] и (111) [27]. При этом можностью в исследованиях фундаментальных проблем в работе [18] отмечалось, что качество пленок Fe толмагнетизма. При этом одной из активно решаемых задач щиной t = 90... 330, полученных МЛЭ на подложявляется исследование влияния шероховатости границ ках (001), в целом оказывается хуже, чем для пленок на магнитные свойства пленок [1–13]. Показано, что аналогичных толщин на подложках (110), что в свою шероховатость влияет на процессы перемагничивания очередь связывалось с большей шероховатостью подлов тонких пленках [1–3,9,10] и многослойных структу- жек GaAs (001). В работе [26] влиянием шероховатости рах [4,6–8], на величину параметра межслойного обме- подложки GaAs (001) связывалось наблюдение двух на [6] и магнитосопротивление [11] обменно-связанных линий поглощения в спектре ферромагнитного резонанса пленок, а также на поля анизотропии и размагничивания (ФМР) касательно намагниченных пленок Fe толщиной тонких пленок [5,9,10]. Показано также [12,13], что 70-100. Было также показано [24,25], что пленки характеристики шероховатости ”магнитных границ” в толщиной 700 на подложках GaAs (001) не уступают тонкопленочной структуре могут заметно отличаться от по качеству пленкам на подложках ориентации (110).

характеристик шероховатости интерфейса. В большин- Однако исследования влияния шероховатости подложек стве из перечисленных работ [1–13] было отмечено, GaAs (001) на свойства пленок Fe в этих работах не что условия, при которых становится заметным вли- проводилось.

яние шероховатости на свойства пленок, определяют- В данной работе методом ферромагнитного резонанса ся не только характеристиками шероховатости, но и (ФМР) исследованы свойства пленок Fe толщинами условиями роста пленок: параметром рассогласования t 12... 140, полученных МЛЭ на подложках GaAs постоянных решетки пленки и подложки, скоростью (001) с различной степенью шероховатости при комнатосаждения, температурой подложки и др. Поэтому вли- ных температурах. В качестве параметров, характерияние шероховатости на магнитные свойства пленок в зующих шероховатость подложек, использовались абсокаждом конкретном случае требует детального изучения.

лютные Rz и среднеквадратичные значения амплитуды Цель данной работы — исследование магнитных свойств шероховатости, которые определялись с помощью зондопленок Fe, полученных методом молекулярно-лучевой вого атомно-силового микроскопа. При этом подложки эпитаксии (МЛЭ) на подложках GaAs (001) с различной GaAs имели качество полировки, отвечающее классу 14:

шероховатостью.

< 120 [28]. Основное внимание обращалось на Отметим, что наблюдается значительный интерес к различие магнитных свойств пленок Fe близких толщин исследованию магнитных свойств эпитаксиальных пле- t, полученных на подложках с разной величиной :

нок Fe на подложках GaAs [14–27]. Это обусло- 1 30 и 2 10. Кроме того, исследовано влияние влено, с одной стороны, кратностью с точностью не скорости осаждения Fe на магнитные свойства пленок, хуже 5% параметров кристаллических решеток Fe и выращенных на подложках с 2 10.

Влияние шероховатости подложек GaAs (001) на магнитные свойства эпитаксиальных пленок Fe Экспериментальные результаты Для получения пленок Fe использовалась установка МЛЭ на базе электронного спектрометра ЭС 2301, откачиваемый объем которой включал ростовую камеру для проведения МЛЭ и аналитическую камеру для исследования элементного состава поверхности с помощью ожеспектроскопии. Перемещение образцов между камерами осуществлялось с помощью манипулятора. До начала напыления давление в камере не превышало 10-9 Torr, а в процессе напыления было не хуже 10-8 Torr. Пленки железа выращивались при двух скоростях v1 9 /min и v2 3 /min. Скорость осаждения определялась с помощью кварцевого измерителя толщины. Температура подложки была близка к комнатной.

Использовались два типа подложек GaAs (001), характеризуемых различной величиной среднеквадратичной амплитуды шероховатости поверхности: 1 (Iтип) и 2 10 (II тип). Величина шероховатости Рис. 2. Оже-спектры поверхности подложки GaAs (001): a — до очистки, b — после очистки, c — после напыления железа.

контролировалась с помощью атомно-силового микроскопа Solver P4–SPM-MDT в двух произвольно выбранных участках подложек. Среднеквадратичное значение амплитуды шероховатости рассчитывалось аналогично [29]. На рис. 1 показан рельеф поверхности подложек первого и второго типов. Можно видеть, что амплитуда шероховатости Rz подложки I типа составляет Rz 160, тогда как для подложки II типа Rz 50.

Перед напылением подложки подвергались химической очистке — 5 min в 40%-м КОН, после промывки в дистиллированной воде — раствором H2SO4 conc:

H2O2 conc: H2O (16: 1: 1) с последующей промывкой дистиллированной водой и сушкой. Непосредственно перед загрузкой в ростовую камеру проводилась очистка поверхности GaAs с помощью ультрафиолетового обРис. 1. Вид поверхности подложек GaAs (001) I и II типов. лучения и последующего отжига в течение 30 min при 4 Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 52 С.Л. Высоцкий, А.С. Джумалиев, Г.Т. Казаков, Ю.А. Филимонов, А.Ю. Цыплин Тогда выражение для определения Hr() имеет вид (H + 4M0 + H) (H - 3Hc sin2 2 - H sin2 ) = f0 /2, (2) где H = Hr() cos +Hc(2 - sin2 ) +H cos2.

На рис. 4 и 5 показаны наиболее характерные экспериментальные ориентационные зависимости резонансного поля для пленок Fe, полученных при скоростях осаждения v1 и v2 соответственно. При этом пленки, выращенные при скорости v1, были получены на подложках как I, так и II типов, а пленки с малой скоростью осаждения были получены только на подложках II типа.

Здесь же сплошными кривыми приведены рассчитанные Рис. 3. Схема координат.

с помощью (1) и (2) зависимости Hr() при значениях параметров пленок, указанных в таблице. На вставках к рис. 4 показан характерный вид зависимости производной отраженной от резонатора мощности, от величитемпературе 800 K. При этом существенно снижался dP ны постоянного магнитного поля (H0), где расстояуровень примесей углерода и кислорода, что контролиdHние между экстремумами соответствует ширине линии ровалось по оже-спектрам поверхности. Контроль состаФМР H, а стрелкой показано положение резонансного ва поверхности повторялся по окончании напыления и поля Hr.

свидетельствовал о формировании пленки Fe (рис. 2).

dP Рассмотрим сначала вид резонансных кривых (H0) Полученные пленки исследовались методом ФМР на dHи характер зависимостей Hr(), полученных для плечастоте f0 9.8 GHz при комнатной температуре.

нок Fe на подложках типа I (рис. 4) и пленки 1–Образцы располагались в резонаторе таким образом, в таблице. Из рис. 4, a можно видеть, что на частоте что магнитное поле H0 = 0.1-5 kOe было касательно f0 = 9.8 GHz в интервале полей H0 = 0.1-5kOe поверхности и составляло угол с направлением оси в пленках 1 и 4 наблюдается только по одной линии [110] (рис. 3). Регистрировалась зависимость величины резонансного поглощения, которую следует связать с резонансного поля Hr от угла. Точность отсчета угла основной модой ФМР. При этом в пленке 1, имеющей составляла 2–3.

наименьшую толщину t1 30, зависимость Hr() отОказалось, что в нашем случае сигнал ФМР удается вечает изотропной пленке (кривая 1), тогда как для пленнаблюдать лишь для тех пленок, толщина которых t ки 4 толщиной t4 140 ориентационная зависимость превышает некоторую критическую толщину t. Для Hr() указывает на наличие анизотропии (кривая 2).

пленок, напыленных при скорости v1, значения t состаХарактер зависимости Hr() в пленке 4 отвечает слувили t 30, а для пленок, выращенных при скорости чаю, когда в кубически анизотропной пленке, имеющей осаждения v2, t 10. Отметим сразу, что для выбраннаправление легкого намагничивания [100] (K1 > 0), ного интервала шероховатости подложек ( 10-30 ) мы не обнаружили явной связи параметров t и.

Параметры исследованных пленок Экспериментальная ориентационная зависимость резонансного поля от угла поворота пленки Hr() со№ t,, 4Meff, Hc, H, Hmin, поставлялась с расчетами зависимости Hr(), которые пленки kGs Oe Oe Oe выполнялись с учетом полей кубической Hc = K1/M0, 1 30 30 8.48 – – нормальной одноосной H = 2K/M0 и плоскостной 2 70 30 14.2 – – одноосной H = 2K /M0 анизотропии, где K1, K и 14.2 123 -80 K — соответственно константы кубической, нормаль3 100 30 15.5 – – ной одноосной и плоскостной одноосной анизотропии. 16.6 232 -156 4 140 30 14.5 252 -70 Считалось, что направление равновесной намагниченно5 30 10 9.8 – – сти M0 составляет угол с направлением поля H0, а 6 40 10 12 194 -202 направление оси l одноосной плоскостной анизотропии 7 50 10 16 220 -157 составляет угол с направлением оси [110] (рис. 3).

8 12 10 8.5 44 -583 Величина угла рассчитывалась из уравнения 9 21 10 13.0 152 -267 13.0 – – -2H0 sin +Hc sin 4 + H sin 2 = 0, (1) 10 30 10 13.5 32 45 16.5 202 -172 11 45 10 17.5 240 -106 где =-, = +.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Влияние шероховатости подложек GaAs (001) на магнитные свойства эпитаксиальных пленок Fe t5 30 зависимость Hr() отвечала изотропному случаю и имела вид, аналогичный кривой 1 на рис. 4, a. Для пленок 6 и 7 толщинами t6 40 и t7 50 характер зависимости Hr() отвечал анизотропному случаю и был аналогичен по виду кривой 2 на рис. 4, a. Параметры пленок 5-7, при которых достигалось наилучшее совпадение рассчитанных и измеренных зависимостей Hr(), приведены в таблице. Обращает на себя внимание, что в целом пленки Fe на подложке типа II имеют более узкую линию ФМР, большие значения полей кубической и одноосной плоскостной анизотропии.

Рассмотрим теперь вид резонансных зависимостей для пленок Fe, выращенных на подложках II типа при более низкой скорости осаждения железа v2 (рис. 5).

Можно видеть, что в пленках с наименьшей 8 (рис. 5, a) и наибольшей 11 (рис. 5, d) толщинами наблюдаются одиночные линии поглощения. Отметим, что в пленке 8 толщиной t8 12 ориентированная зависимость Hr() отвечает случаю пленки с одноосной анизотропией, тогда как для пленки 11 толщиной t11 50 вид зависимости Hr() отражает наличие как одноосной, так и кубической анизотропии.

Для пленок промежуточных толщин 9 и 10 в спектре ФМР присутствуют две линии поглощения, которые Рис. 4. Вид зависимостей Hr() для пленок на подложке I типа, a — пленка 1 (1) и пленка 4 (2); b — пленка 2; c — демонстрируют анизотропные зависимости Hr() (кружпленка 3; b и c — зависимости () для анизотропной фазы ки и треугольники на рис. 5, b и c соответственно).

пленок 2 и 3 соответственно (штриховая кривая).

Причем в пленке толщиной t9 21 вторую линию поглощения (треугольники) удалось наблюдать только в интервале углов = 70-110. По этой причине присутствует также одноосная плоскостная анизотропия с осью легкого намагничивания, направленной вдоль оси [110]. Значения эффективной намагничености пленок 4Meff = 4M0 + 2K/M0 и полей анизотропии Hc и H, подобранные с помощью (1), (2), приведены в таблице.

Для пленок Fe промежуточных толщин t2 (рис. 4, b) и t3 100 (рис. 4, c) в спектре ФМР наблюдалось по две линии поглощения, отстоящие друг от друга на величину поля |H0| < 1kOe (вставка на рис. 4). Характер зависимостей Hr() для этих линий был различным и отвечал либо изотропному случаю (треугольники), либо случаю кубически анизотропной пленки с плоскостной одноосной анизотропией (кружки).

Отметим, что подобранные с помощью (1) и (2) значения эффективной намагниченности для анизотропного и изотропного откликов в спектре ФМР пленки оказались равными, а для пленки 3 лишь незначительно отличаются (см. таблицу). Следует также подчеркнуть, что как соотношение амплитуд изотропного и анизотропного откликов, так и интервал углов, в котором наблюдается анизотропный отклик (рис. 4, b, c), c ростом толщины пленки изменяются.

Для пленок Fe, выращенных на подложках II типа при скорости осаждения v1, выделить интервал толщин, для которого в спектре ФМР наблюдается две Рис. 5. Вид зависимостей Hr() на подложке II типа для линии поглощения, не удалось. В пленке 5 толщиной пленок 8 (a), 9 (b), 10 (c), 11 (d).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 54 С.Л. Высоцкий, А.С. Джумалиев, Г.Т. Казаков, Ю.А. Филимонов, А.Ю. Цыплин решеток пленки и подложки [14–18]. Подробное обсуждение зависимости параметров пленок от толщины не входит в цели данной работы. Однако подчеркнем, что под влиянием указанных поверхностных и интерфейсных эффектов в пленке будет возбуждаться неоднородная мода, для которой резонансное поле может быть представлено как [17] Hs Hr =(Hr)unif +, (3) N где (Hr)unif — резонансное поле однородного ФМР, Рис. 6. Вид зависимостей H() для пленок 3(•) и 11 ( ).

определяемое с помощью (1) и (2); Hs — поле, связанное с влиянием границ; N — число монослоев в пленке.

Для того чтобы выявить характер влияния шероховатости подложки на вид спектра ФМР и параметры экспериментальная зависимость Hr() для второй линии пленок, обратимся к таблице и рис. 4, 5. Можно видеть, поглощения аппроксимировалась с помощью (1), (2) в что наблюдается заметное различие в проявлении анизопренебрежении полями анизотропии и при значении эфтропных свойств пленок близких толщин, но выращенфективной намагниченности, отвечающей первой линии ных на подложках с различной степенью шероховатости.

поглощения в спектре ФМР (см. таблицу).

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.