WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1 Свойства структур на основе GaAs, легированного Mn из лазерной плазмы в процессе МОС-гидридной эпитаксии © Ю.В. Васильева, Ю.А. Данилов, Ант.А. Ершов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова, А.Б. Давыдов, Б.А. Аронзон, + + + С.В. Гуденко, В.В. Рыльков, А.Б. Грановский, Е.А. Ганьшина, Н.С. Перов, А.Н. Виноградов+ Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия + Российский научный центр „Курчатовский институт“, 123182 Москва, Россия + Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия (Получена 1 июня 2004 г. Принята к печати 16 июня 2004 г.) Развит метод легирования GaAs марганцем с использованием лазерного испарения металлической мишени в процессе МОС-гидридной эпитаксии. Метод использован для формирования как однородно легированных слоев GaAs : Mn, так и двумерных структур, включающих -легированный марганцем слой GaAs и квантовую яму InxGa1-x As, разделенные спейсером GaAs толщиной d = 3-6 нм. Показано, что полученные структуры обладают при комнатной температуре измерений магнитооптическими и магнитными свойствами, обусловленными, вероятнее всего, наличием кластеров MnAs. В области низких температур ( 30 K) выявлен аномальный эффект Холла, который объяснен обменным взаимодейтвием между ионами Mn посредством дырок 2D канала.

1. Введение 2. Методика эксперимента Арсенид галлия, легированный марганцем, является Выращивание эпитаксиальных структур проводили в основным материалом полупроводниковой спинтроники, горизонтальном кварцевом реакторе в атмосфере H2, поскольку при некоторых условиях получения может обочищенного диффузией через Pd-мембрану. Исходными ладать ферромагнетизмом [1]. Наиболее развита методивеществами являлись триметилгаллия, триметилиндия ка выращивания слоев GaAs : Mn молекулярно-лучевой и арсин, а для лазерного распыления использовались эпитаксией (МЛЭ). Это связано с тем, что при низкотеммишени из Mn марки ОСЧ и нелегированного GaAs.

пературном ( 250C) процессе МЛЭ возможно полуПодложками служили, как правило, пластины полуизочение пересыщенного твердого раствора Mn в GaAs [1].

лирующего GaAs (100).

Такие твердые растворы Ga1-xMnx As с x 0.05 облаОказалось, что скорость нанесения распыляемого ладают ферромагнитными свойствами при низких темпезером вещества на подложку сильно зависит от давления ратурах (температура Кюри TC 110 K [2]). Отметим, газа в реакторе. Требуемое давление в реакторе устанавчто TC может быть увеличена до 170 K в структуливалось с помощью клапана, регулирующего скорость рах на основе GaAs с Mn -легированным слоем за откачки при постоянном потоке водорода 2.7 л/мин. При счет создания вблизи него двумерного (2D) дырочного давлении 50 Торр скорость нанесения Mn составляла канала проводимости [3]. При повышении значений x около 0.03 нм/с, при 150 Торр — около 0.015-0.02 нм/с.

выше 0.05 в Ga1-xMnx As и (или) проведении поРаспыление Mn при атмосферном давлении в течение следующих термообработок (T > 550C) наблюдается часа не давало сколько-нибудь заметного покрытия на сегрегация твердого раствора и образование кластеров кварцевой подложке. Принципиальным недостатком лаMnAs [4].

зерного распыления является высокая скорость испаПредставляет интерес выяснение возможности форряемых частиц, что может приводить к образованию мирования слоев GaAs, легированных Mn, и 2D струкдефектов в растущей структуре. Поэтому для уменьшетур на их основе методом МОС-гидридной эпитаксии ния скорости частиц, поступающих на подложку, было (МОСГЭ), а также исследование их свойств. Ранее выбрано давление в реакторе при лазерном распылении для легирования различными примесями эпитаксиаль150 Торр. Слои низкотемпературного арсенида галлия ных слоев GaAs, выращиваемых методом МОСГЭ, мы наносились с помощью лазерного распыления пластины использовали испарение вещества примеси с помощью излучения Nd : АИГ-лазера, работающего в режиме мо- GaAs. Чтобы скомпенсировать потери мышьяка при распылении, процесс проводился в атмосфере арсина.

дулированной добротности [5]. В данной работе этот способ введения примеси применен для легирования Предполагалось, что арсин разлагается в лазерной плазмарганцем. ме, и атомарный As поступает на подложку. Для полу88 Ю.В. Васильева, Ю.А. Данилов, Ант.А. Ершов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова, А.Б. Давыдов, Б.А. Аронзон...

чения низкотемпературных твердых растворов GaMnAs использовалась составная мишень из GaAs и Mn. Луч лазера перемещался с одной мишени на другую с периодом 8 c. Состав твердого раствора можно было задавать, изменяя отношение времен облучения каждой мишени.

Спектры фотолюминесценции структур были измерены при температуре 77 K при возбуждении He–Ne-лазером с мощностью 40 мВт.

Магнитные свойства структур исследовались с помощью измерений намагничивания (при комнатной температуре на вибрационном магнитометре-анизометре с чувствительностью 10-8 эрг/Гс [6]) и магнитооптического эффекта Керра. Магнитооптические исследования выполнялись в двух вариантах: 1) с помощью магниРис. 2. Спектры фотолюминесценции: 1 — образец со слоем тооптического магнитометра Керра при фиксированной GaAs, однородно легированным Mn (типа 1); 2 — структура с длине волны света (0.63 мкм) в температурном интерва Mn -легированным слоем и квантовой ямой; 3 — структура ле от 40 до 300 K и 2) при комнатной температуре на с квантовой ямой. Для наглядности кривые разнесены по оси спектральной магнитооптической установке в диапазоне интенсивности.

энергий от 0.5 до 4.0 эВ в геометрии экваториального эффекта Керра при угле падения света 60.

сиальные слои p-GaAs, легированные обычно используемыми неглубокими ацепторными примесями цинка 3. Экспериментальные результаты или углерода. Экспериментальные точки для слоев, и их обсуждение полученных в различных режимах, лежат вблизи одной кривой, из чего можно заключить, что кристаллическое На рис. 1 приведено соотношение между холловской качество слоев, полученных лазерным рапылением, доподвижностью и концентрацией дырок, измеренными статочно хорошее. Максимальная достигнутая конценпри комнатной температуре в слоях GaAs : Mn. Дантрация электрически активного акцепторного марганца ные получены для образцов трех типов: 1 — слои NMn = 4.5 · 1018 см-3 соответствует значениям в слоях, GaAs : Mn толщиной 0.6 мкм, выращенные при 620C и выращенных методом жидкофазной эпитаксии [7].

атмосферном давлении в реакторе; 2 — слои GaAs : Mn Спектр фотолюминесценции (ФЛ) образца с однородтолщиной 0.2 мкм, выращенные при 300C, пониженном но легированным марганцем слоем (образец типа 1) давлении в реакторе и нанесении GaAs и Mn лазерным приведен на рис. 2 (кривая 1). Кроме фундаментальной распылением с отношением времени распыления GaAs полосы ФЛ при 1.507 эВ, наблюдаются две полосы с ко времени распыления Mn от 5 до 1; 3 — эпитакэнергиями 1.403 и 1.36 эВ. Если первая из этих полос обычна для слоев GaAs, легированных Mn [8], и считается связанной с переходами носителей из зоны проводимости на акцепторный уровень Mn, то происхождение второй очень широкой полосы не ясно. Для глубины акцепторного уровня Mn получена величина 0.104 эВ, неплохо совпадающая с данными работы [9].

Для последующих измерений использованы структуры, содержащие Mn -легированный слой и расположенную под ним квантовую яму (КЯ) InxGa1-x As (x 0.2) шириной 12 нм, разделенные спейсерным слоем GaAs. Буферный слой, КЯ и спейсер выращивались при 620C, а нанесение -легированного слоя и покровного слоя GaAs было выполнено при 300C. Таким образом были изготовлены структуры 3979, 3988 и 3980, различающиеся между собой временем нанесения Mn при формировании -слоя (20, Рис. 1. Соотношение между холловской подвижностью и 10 и 5 мин, соответственно, для структур 3979, концентрацией дырок в однородно легированных слоях GaAs и 3980). Эффективная концентрация дырок в структурах p-типа. Экспериментальные точки соответствуют образцам типа 1 (1) и 2 (2) со слоями, легированными Mn, и ти- вследствие легирования марганцем составляет па 3 (3) —см. текст. (1-1.4) · 1012 см-2. Толщина спейсера d составляла 3 нм Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Свойства структур на основе GaAs, легированного Mn из лазерной плазмы в процессе... по динамической методике измерялся параметр экваториального (поперечного) эффекта Керра, обозначаемый как ТКЕ, т. е. относительное измерение интенсивности p-поляризованного света при намагничивании образцов.

Дисперсионные спектральные кривые эффекта Керра для изучаемых структур (вставка на рис. 3) выявили значительные изменения величины ТКЕ в диапазоне энергий квантов света от 1 до 2 эВ. В частности, для структуры 3979 (кривая 1) отрицательные значения ТКЕ -2·10-3 наблюдались в диапазоне 0.5-1.0эВ, затем при повышении энергии квантов E следовало резкое увеличение ТКЕ до +7.5 · 10-3 при 1.5эВ.

Изменение знака ТКЕ наблюдалось в узком спектральном диапазоне 1.5-1.7 эВ. Минимальное значение ТКЕ -4.5·10-3 было получено для E 1.75 эВ. Далее веРис. 3. Кривые намагниченности для структур с Mn -легиличина ТКЕ снова увеличивалась и в области 2.0-4.0эВ рованным слоем и квантовой ямой: 1 — 3979, 2 — 3988, 3 — 3980. На вставке — спектральные кривые эффекта Керра не превышала 10-3. Подобные изменения спектров ТКЕ для тех же структур.

наблюдались и для структур 3988 и 3980 (вставка на рис. 3, кривые 2 и 3), причем размах изменений ТКЕ уменьшался при снижении количества Mn, осажденного в -легированном слое. Подобное поведение спектров в структуре 3979, 4 нм — в структуре 3988 и 6 нм — ЭЭК ранее [10] отмечалось для образцов GaAs, включав 3980. Спектр ФЛ структуры с d = 3 нм приведен ющих кластеры MnAs. Такое сходство делает разумным на рис. 2 (кривая 2). Пик ФЛ аналогичной структуры предположение о наличии фазы MnAs в исследуемых с КЯ, но без легирования Mn, расположен при энергии структурах, легированных марганцем. Формирование кванта 1.315 эВ (рис. 2, кривая 3). При толщине фазы MnAs может быть вызвано сегрегацией Mn из спейсера, отделяющего слой Mn от квантовой ямы, твердого раствора в GaAs вследствие превышения преравной d = 6 нм, положение пика сигнала ФЛ от квандела растворимости ( 8 · 1019 см-3 [11]) и образования товой ямы соответствует его положению в структурах, соеднинения его с As при температуре выращивания нелегированных Mn. Однако, как видно из данных, покровного слоя GaAs.

представленных кривой 2 на рис. 2, при уменьшении На структурах, содержащих Mn -легированный слой толщины спейсера до 3 нм этот пик смещается в область и квантовую яму InGaAs, проводились измерения провоменьших энергий квантов на величину 26 мэВ. Это димости и эффекта Холла в магнитных полях до 3 Тл в может быть связано либо с диффузием Mn в объем КЯ диапазоне температур 30-300 K. Температурные зависии образованием акцепторного уровня над ее потолком, мости проводимости и эффекта Холла носят активационлибо с процессом излучательной рекомбинации с ный характер. При этом при температурах ниже 30 K соучастием туннельно-близкого к яме уровня марганца.

противление структур достигает нескольких ГОм, делая Результаты измерений намагниченности как функции результаты измерений ненадежными. Величина энергии приложенного магнитного поля при комнатной темпераактивации проводимости в образце 3980 (d = 6нм) туре с помощью магнитометра для указанных структур приблизительно постоянна и составляет 12 мэВ. Данная представлены на рис. 3. Петля гистерезиса указывает величина соответствует энегии активации носителей с на наличие в образцах ферромагнитной фазы. Величина акцепторных уровней Mn, расположенных в GaAs, в коэрцитивной силы Hc варьируется от 27 до 65 мТл.

первую подзону КЯ, тем самым свидетельствуя, что Зависимости выходят на насыщение в магнитном попроводимость осущствляется по КЯ находящимися в ле 0.25-0.3 Тл. Из приведенных на рис. 3 кривых можно отметить, что увеличение количества нанесенно- ней дырками, а не по Mn -слою. Это можно понять из рассмотрения зонной диаграммы для рассматриваемых го Mn приводит к росту намагниченности насыщения.

Величина и вид полевых и спектральных зависимо- структур (рис. 4). Как следует из приведенных выше стей магнитооптического экваториального эффекта Кер- результатов исследований ФЛ, энергия ионизации ра (ЭЭК) изменялись при варьировании условий изго- Mn относительно потолка валентной зоны в GaAs Mn Ea - Ev составляет 104 мэВ. Расчет значений энергий товления Mn -легированного слоя. В первом варианте в структуре с напряженной КЯ Inx Ga1-x As в GaAs измерений ЭЭК (при фиксированной длине волны света, шириной 12 нм при x 0.2 согласован с положением температуре измерений 40-300 K) полученные кривые намагничивания в целом согласуются с приведенными пика ФЛ (рис. 2, кривая 3) при 1.315 эВ. Это значение на рис. 3 зависимостями, и при этом в исследованном соответствует величине Ee1 - Ehh1. Согласно расчету, температурном интервале на выявлено магнитных фа- величина разрыва валентной зоны на границе квантовой QW зовых переходов. Во втором варианте измерений ЭЭК ямы равна Ev - Ev = 86 мэВ, а уровень размерного Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 90 Ю.В. Васильева, Ю.А. Данилов, Ант.А. Ершов, Б.Н. Звонков, Е.А. Ускова, А.Б. Давыдов, Б.А. Аронзон...

(до 15 мэВ). Это соответствует тому, что центры Mn, эффективно определяющие электроперенос в данном образце, приближены к границе КЯ настолько, что волновые функции акцепторных состояний могут проникать в КЯ, в силу чего происходит их заглубление.

На основании вышеизложенного можно заключить, что именно акцепторы Mn в GaAs определяют проводимость КЯ в данных структурах.

В отличие от приведенных выше данных магнитных измерений влияния ферромагнитной фазы на эффект Холла при комнатной температуре обнаружить не удалось. Напряжение на холловских контактах изменяется линейно с магнитным полем во всем диапазоне его изменения. С понижением температуры вплоть до T = 30 K зависимость холловского напряжения от магнитного поля B в целом остается линейной. Однако для образца 3980 вычитанием из экспериментальных данных прямой линии, соответствующей вкладу нормального эффекта Рис. 4. Зонная диаграмма структуры с квантовой ямой и Холла, удалось выделить сигнал, зависящий нелинейно Mn -легированным слоем.

от B. Нечетная по магнитному полю составляющая этого сигнала соответствует аномальному эффекту Холла (АЭХ) и представлена на рис. 5. Известно [13], что в магнитных материалах полное сопротивление Холла Rxy состоит из двух компонент:

Rxy = R0B + Rsµ0M, где R0 — коэффициент нормального эффекта Холла, обусловленного действием силы Лоренца, B — магнитная индуция, M — намагниченность, µ0 — магнитная проницаемость вакуума, Rs — коэффициент АЭХ, связаный с анизотропным рассеянием спин-поляризованных носителей тока в условиях их спин-орбитального взаимодействия.

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.