Гальваномагнитные свойства двумерных ферромагнитных структур GaAs(δ)/InxGa(1-x)As/GaAs

• Автор: Панков, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Содержание. №

Введение.

Г лава 1. Обзор литературы

1.1 Магнитотранспортные эффекты в полупроводниковых 19 ферромагнитных материалах.

1.1.1. Эффекты гигантского и анизотропного 19 магнетосопротивления в магнитных материалах.

1.1.2. Эффект Холла в магнитных гетероэпитаксиальных 21 структурах.

1.2. Современные исследования свойств и применений

разбавленных магнитных полупроводников.

Глава 2. Исследуемые образцы и экспериментальная

методика измерений;

2.1 Экспериментальная установка

2.2 Описание исследованных образцов
2.3Свойства полученных структур
2.3.1 Структурные исследования структур 37 ОаЛ5(5<Мп>)/1пОаЛз/СаАз, полученных по МОС-гибридной технологии.
2.3.2 Структурные исследования структур 44 СаА5('6<Мп>)/1пОаА5/ОаАз, полученных по технологии МЛЭ.
Глава 3. Гальваномагнитные свойства двумерных
ферромагнитных структур СаА8(6<Мп>)/1пСаАз/СаА8.
3.1 Температурные зависимости проводимости
3.2 Магнитополевые зависимости проводимости и нормальной1. 51 компоненты эффекта Холла.
3.3.Зависимости температур Кюри от параметров структур
3.4 Анномальный эффект Холла и механизмы его
формирования.
Глава 4. Магнитометрические измерения двумерных
ферромагнитных структур СаА8(5<Мп>)ЛпСаА8/СаА8.
4.1 Зависимости намагниченности двумерных ферромагнитных 69 I структур
4.2 Влияние неоднородностей на магнитные свойства системы. 78 Глава 5. Качественные модели установления 81 ферромагнитного упорядочения в двумерном канале проводимости.
Заключение
Список литературы
Введение
Объектом ныне популярных исследований, получивших название спинтроника [1,2], в основном являются структуры на основе ферромагнитных металлов, использующие эффект гигантского магнетосопротивления [3], например, для создания считывающих головок в магнитных дисках или энергонезависимой магнитной памяти произвольного доступа [4]. Однако следует отметить, что данные структуры трудно интегрируются в современную полупроводниковую электронику. Рассматривая элементы существующей энергонезависимой памяти выяснилось, что в MRAM энергетические затраты на элемент больше чем в полупроводниковых приборах. Плотность записи также оказалась меньше чем достигнуто в полупроводниковых приборах. Хотя, следует признать, скорости записи и считывания, а также количество циклов перезаписи на много порядков больше.
Все это заставило исследователей обратиться к изучению магнитных материалов на основе полупроводников, а требование высоких температур Кюри заставило резко увеличить, до 10%, концентрацию магнитной примеси, что привелок созданию разбавленных магнитных полупроводников.(РМП).
Теоретические и экспериментальные исследования механизмов магнитного упорядочения в полупроводниковых материалах с магнитными примесями проводятся последние два десятилетия большим- количеством лабораторий по всему миру. Центральное место в изучении свойств разбавленных магнитных полупроводников отводится в настоящее время III-Mn-V материалам (таким как GaMnAs), в которых ферромагнетизм индуцирован свободными или локализованными в примесной зоне Мп дырками [5,6]. Данные материалы обладают относительно высокими температурами Кюри Тс (до -200К) и позволяют создавать различного рода гетероэпитакси ал ьные структуры, которые могут служить основой практического применения в элементах энергонезависимой памяти. Для раскрытия потенциала таких структур необходимо глубокое понимание
природы взаимодействий и физических механизмов, определяющих свойства таких материалов. Однако, эта цель ещё далеко не достигнута, в частности, природа обменного взаимодействия в этих материалах вызывает целый ряд вопросов. Для фундаментального понимания основ этих механизмов и природы взаимодействий необходимы исследования транспорта спина в таких материалах, спиновая динамика, а также исследования взаимосвязи магнитных свойств и электронного транспорта.
В настоящее время основное внимание уделяется исследованиям объемных разбавленных магнитных полупроводников [4,7], хотя для создания, например, спиновой электроники (спинтроники) определяющую роль играют и исследования низкоразмерных ферромагнитных систем на основе Ш-Мп-У материалов. Именно двумерная ситуация наиболее интересна для. фундаментальных исследований низкоразмерных ферромагнитных систем на основе ваМпАз, поскольку в этом случае наиболее ярко проявляется целый ряд эффектов. Основная, проблема, для объемных разбавленных полупроводников связана с чрезвычайно низкими подвижностями дырок в ваМпАя (ць= 1-5 см2/В-с [8]), объясняемыми сильным рассеянием носителей заряда ионами Мп и положением уровня Ферми в примесной-зоне при металлическом характере его проводимости (в отличие от СаАэ сильно легированного обычными примесями) [8,9]. Столь, низкие значения, подвижности (/,<10 см2/В-с) не позволяют, однозначно судить о роли беспорядка и интенсивности рассеяния носителей заряда в магнитном упорядочении РМП [10], хотя при увеличении подвижности носителей предсказывается заметный рост температуры Кюри (см., например, [11]). Низкие значения подвижности являются, по-видимому, основным препятствием и для создания низкоразмерных ферромагнитных систем на основе ваМпАя.
Для получения структур с высокими подвижностями носителей заряда стандартным методом является способ селективного легирования, пространственно разделяющего область легирования и канал проводимости. В данном случае применение этого метода ограниченно необходимостью

является быстродиффундирующей примесью, поэтому для формирования 6<Мп>-легированного слой и последующих после этого операций необходимы пониженные (< 450°С) температуры. С другой стороны, при таких температурах не происходит разложения триметилгаллия. Кроме того, структурное совершенство гетероструктуры напряженной квантовой ямы ГпОаАэ монотонно ухудшается с понижением температуры от 600°С.
Другой важной особенностью технологического процесса является то, что для формирования 5<Мп>-легированного слоя используется» лазерное распыление мишени из металлического марганца. Ввиду особенности поведения примеси Мп (высокий коэффициент диффузии) в ОаАэ и твердых растворах на его основе, формирование покровного слоя ОаАя необходимо выполнять также при пониженной температуре. Следовательно, для нанесения покровного слоя также использовалось лазерное нанесение; в качестве мишени при этом использовалась пластина ваЛь. Таким образом, мишень является составной: одну треть занимает металлический Мп (99.8 % чистоты), вторую треть — йаЛэ (нелегированный, марки. АКН), а остальное - металлический Ве либо углерод как источник акцепторной примеси.
Выращивание структур осуществлялось в горизонтальном кварцевом реакторе в потоке газа-носителя водорода, очищенного диффузией через палладиевую мембрану. Для получения слоев, однородных по площади, держатель подложки вращался со скоростью 30» об/мин. Для лазерного распыления составная' мишень располагается на расстоянии 5 см от подложки. Держатель подложки расположен под углом 45° к оси реактора. Такая геометрия позволяет получать достаточно однородный по толщине слой на подложке.
В технологическом процессе выращивание слоев из МОС и гидридов производится при атмосферном давлении. Источниками компонентов являются триметилгаллий (ТМГ), триметилиндий (ТМИ) и арсин. Сначала при температуре подложки 600°С выращивается буферный слой СаАэ толщиной 0.12 мкм. Затем при температуре 550°С сначала лазерным испарением