Содержание.
Введение.
Глава 1. Обзор литературы.
1.1 Магнитотранспортные эффекты в полупроводниковых ферромагнитных материалах.
1.1.1. Эффекты гигантского и анизотропного магнетосопротивления в магнитных материалах.
1.1.2. Эффект Холла в магнитных гетероэпитаксиальиых 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 ОаАБ(б<Мп>)/1пОаА5/СаАз, полученных по МОС-гибридной технологии.
2.3.2 Структурные исследования структур ОаЛ5(5<Мп>)/1пСаА$/ОаА8, полученных по технологии МЛЭ. Глава 3. Гальваномагнитные свойства двумерных ферромагнитных структур СаА8(5<Мп>)ЯпСаА8/СаА8.
3.1 Температурные зависимости проводимости.
3.2 Магнитополевые зависимости проводимости и нормальной-, компоненты эффекта Холла.
З.З.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>)ЯпСаА8/СаА8.
4.1 Зависимости намагниченности двумерных ферромагнитных »структур
4.2 Влияние неоднородностей на магнитные свойства системы. Глава 5. Качественные модели установления ферромагнитного упорядочения в двумерном канале проводимости.
Заключение.
Список литературы.
№ стр.
3
19
19
19
21
24
29
29
34
36
37
44
48
48
51
55
59
69
69
78
81
84
87
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 МКАМ 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 привело к 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-Мп-У материалам (таким как ЦаМпАз), 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 гетероэпитаксиальные структуры, которые могут служить основой практического применения в элементах энергонезависимой памяти. Для раскрытия потенциала таких структур необходимо глубокое понимание
3
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 (спинтропики) 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 ваМпАв, поскольку в этом случае наиболее ярко проявляется целый ряд эффектов. Основная* проблема.для объемных разбавленных полупроводников связана с чрезвычайно низкими подвижностями дырок в ОаМпАй (рь” 1-5 см'УВх [8]), объясняемыми сильным рассеянием носителей заряда ионами Мп и положением уровня Ферми в примесной зоне при металлическом характере его проводимости (в отличие от ваАв сильно легированного обычными примесями) [8,9]. Столы 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, [И]). Низкие значения подвижности являются, по-видимому, основным препятствием и для создания низкоразмерных ферромагнитных систем на основе ваМпАв.
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
удовлетворить требованию достаточного сильною взаимодействия легирующей магнитной примеси и носителей заряда. В немногочисленных работах, посвященных исследованию низкоразмерных Ш-Мп-У объектов, авторы для достижения максимальных значений Тс стремились обеспечить максимально большую плотность: дырок непосредствен ио; в области нахождения ионов: Мп. Такое пространственное распределение носителей наряду с усилением обмена приводит к сильному кулоновскому рассеянию на ионах Мп И, соответственно, К НИЗКОЙ ПОДВИЖНОСТИ дырок (рь <10 см2/В с). Заметим, что при- таких подвижностях размытие уровней размерного квантования (Д£г/}/г, г - время рассеяния по импульсу) в дырочной ОаАэ квантовой яме достаточно велико* (> 230 теУ), ширина уровней размерного -квантования энергии дырок ~ 200 мэВ; ч то не позволяет говорить о двумерном спектре носителей заряда т.к. превышается энергетический зазор между ними. Поэтому термин «двумерность. капала , проводимости» в данных работах следует, по-видимому, лишь относить к фазовой когерентности.дырок.
Таким, образом, получается, что в случае Ш-Мп-У систем оказываются практически не исследованными* влияние1 . на ферромагнитное (ФМ) упорядочение данных РМШ> ни эффектов* рассеяния; дырок,, ни* размерное квантование. Из исследованных двумерных РМП структур отметим, что в случае П-Мп-УГ квантовых ям (КЯ) ферромагнитное упорядочение, стимулированное двумерными дырками, наблюдалось (с Тс = 1.8; К), несмотря, на существенное влияние в данных системах, вклада антиферромагнитного обменного взаимодействия между атомами Мп [12,13].
Следует также отметить, что в основном перечисленные: работы были направлены на исследование магнитных свойств системы, тогда как изучению в них спин-зависящих эффектов1 в электронном транспорте (магнитосопротивлению и его анизотропии, аномальному и планарному эффектам Холла) практически не уделялось внимание. Между тем, эти эффекты определяются спиновой поляризацией носителей, а исследование особенностей электронного транспорта в этих условиях и составляет основной интерес для
5
спинтроники. Большинство наблюдений основаны на изучении только намагниченности объектов, которая может однозначно указывать на наличии спиновой поляризации носителей лишь в однофазных разбавленных магнитных полупроводниках в условиях обменного взаимодействия между магнитными примесями посредством носителей заряда. Так в работе [14] на примере Ш-Мп-V полупроводников установлено, что при наличии второй фазы (ферромагнитных нанокластеров МпЛз или МпБЬ) гистерезис в намагниченности может наблюдаться при температурах выше комнатной. При этом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. Данное наблюдение указывает на отсутствие в данном случае связи магнитной и электронной подсистем. Ферромагнитный сигнал вызван наличием невзаимодействующих между собой ферромагнитных кластеров, в системе не возникает единое ФМ состояние на болыцих (сравнимых с размерами образца) расстояниях и отсутствует спиновая поляризация носителей заряда. Таким образом, данная система не может рассматриваться как объект спинтроники. С другой стороны, в однофазных РМП существенную роль играет аномальный- эффект Холла (АЭХ), который пропорционален намагниченности и определяется спиновой поляризацией носителей. В Ш-Мп-У полупроводниках вклад АЭХ оказывается доминирующим до температур, превышающих температуру Кюри в 2-3 раза, и потому его исследования играют ключевую роль в установлении ферромагнитного состояния данных систем [5].
Магнитные системы на основе структуры ОаАзЛщСа^АБ/СаАз с удаленым от квантовой ямы 5- слоя Мп, выращенные по МОС-гидридной эпитаксии и МЛЭ технологии являются сильно неупорядоченными объектами, беспорядок в которых обусловлен как флуктуациями кулоновского и обменного взаимодействий, так и структурными флуктуациями их состава. В этом случае Мп, например, уже при достаточно малых содержаниях (от 3%) может занимать как положения замещения (акцепторные) кристаллической решетки, так и ее
междоузельные (донорные) положения. Понимание электрофизических свойств таких систем находится в настоящее время в начальном состоянии. Поэтому исследования спин-зависящих эффектов в их электронном транспорте являются актуальной научно и практически значимой задачей.
В данной работе представлены результаты исследований [15-26] структур ОаАзЛПхОа^хАзЛЗаАз с удаленным от квантовой' ямы б- слоем Мп и подвижностью дырок в канале, достигающей р* ~ 3000 спТ/У-Б при Т = 5 К, демонстрирует возможность ферромагнитного упорядочения в двумерных III-Мп-У системах с температурой Кюри Тс=40 К. В последствии на этих же структурах были произведены исследования фотолюминесценции [63]. А в самое последнее время аналог ичная технология стала разрабатываться в группе \У. \Vegscheider [27]. Также было продемонстрировано наличие аномального эффекта Холла в рассматриваемых структурах. Однако, исследования магнитотранспортных свойств структур в этой работе были ограничены диапазоном слабых магнитных полей {В < 3 Тл), что было не достаточно для выделения вклада аномального эффекта Холла на фоне обычного эффекта* Холла и интерпретации1 его механизма. Исходя из этого были проведены транспортные исследования вплоть до квантующих магнитных полей (< 12 Тл), позволившие выделить аномальный эффект Холла.структур. Значения вклада аномального эффекта Холла в холловское сопротивление структур согласуются с результатами недавних теоретических расчетов для ферромагнитных двумерных Ш-Мп-У систем [28,29], в которых предсказывается доминирующая роль внутреннего механизма формирования аномального эффекта Холла. При этом двумерный характер энергетического спектра дырок подтвержден наблюдением осцилляций Шубникова - де Газа. Важно таюке, что развитые недавно модели ферромагнитного упорядочения двумерных систем [30,31], учитывающие как большие длины свободного пробега^цвумерных носителей, так и их удаленность от слоя Мп, дают значения Тс разумно согласующиеся с результатами эксперимента.
- Київ+380960830922