Оглавление
Введение.......................................................................6
Актуальность темы исследования..............................................6
Цель и основные задачи исследования.........................................7
Научная новизна работы......................................................7
Практическая значимость работы..............................................8
Основные положения, выносимые на защиту.....................................8
Личный вклад автора.........................................................9
Апробация работы............................................................9
Публикации.................................................................10
Объем и структура диссертации..............................................10
Глава 1. Разбавленные магнитные полупроводники на основе алмазоподобных
полупроводников, методы исследования, технология получения..........................11
1.1 Введение...............................................................11
1.2. Магнитные полупроводники..............................................12
1.3. Механизмы ферромагнитного упорядочения в алмазоподобных магнитных
полупроводниках, выбор матричного материала и легирующей 36- примеси.......14
1.3.1. Механизмы ферромагнитного упорядочения в алмазоподобных
магнитных полупроводниках.........................................14
1.3.2. 3(1 металлы как легирующая примесь. Выбор матричного материала и
легирующей примеси................................................18
1.4. Особенности магнитотранспортных свойств в ферромагнетиках.............20
1.4.1. Аномальный эффект Холла...........................................20
1.4.2. Отрицательное магнетосопротивление................................22
1.5. РМП на основе алмазоподобных полупроводников..........................23
1.5.1. РМП на основе соединений Ш-У......................................23
1.5.2. РМП на основе элементарных полупроводников ве и Б1........24
1.5.2.1. РМП на основе ве................................................24
1.5.2.2. РМП на основе 81................................................27
1.6. Ферромагнетизм химических соединений марганца с кремнием и германием
..........................................................................31
1.6.1. Мпв1..............................................................31
1.6.2. Мп50еЗ............................................................33
2
1.7. Особенности и перспективы использования метода импульсного лазерного осаждения (НЛО) в сравнении с методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) 33
1.8. Заключение, постановка задачи.........................................36
Глава 2. Технология импульсного осаждения магнитных и немагнитных
наноразмерных слоев из лазерной плазмы, методы измерения параметров слоев РМП.38
2.1. Вакуумное импульсное осаждения слоев магнитных и немагнитных
наноразмерных слоев из лазерной плазмы.....................................38
2.1.1. Схема метода НЛО с отклоненными мишенями..........................38
2.1.2. Технология выращивания пленок методом импульсного лазерного
осаждения.........................................................41
2.1.3. Лазерный отжиг слоев..............................................44
2.2. Измерения магнитотрансполтных характеристик слоев.....................47
2.4. Методика измерения ферромагнитного резонанса (ФМР)....................48
2.5. Методика измерения магнитооптического эффекта Керра...................53
2.6. Другие методы исследования............................................56
2.6.1. АСМиМСМ...........................................................56
2.6.2. Рентгеноструктурный анализ........................................56
2.6.3. Масс-спектрометрия вторичных ионов................................56
2.6.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.......................57
Глава 3. Свойства полученных осаждением из лазерной плазмы слоев
разбавленных магнитных полупроводников на основе легированных марганцем ваЗЬ,
1п8Ь,иОе ...........................................................................58
3.1. Введение..............................................................58
3.2. Выбор магричного полупроводника и 3(1- примеси........................58
3.3. Структурные свойства РМП на основе 111-V..............................59
3.4. Магнитотранспортные свойства РМП на основе Ш-У........................61
3.5. ФМР РМП на основе III-V...............................................67
3.6. Магнитооптический эффект Керра (МОЭК).................................70
3.7. Измерение ферромагнитного резонанса (ФМР) для дискретного сплава
ваБЬ/Мп....................................................................72
3.8. Свойства слоев разбавленных магнитных полупроводников Ое:Мп...........73
3.8.1. Выбор легирующей Зс1- примеси.....................................74
3.8.2. Структура слоев Ое легированного и не легированного...............74
3.8.3. Магнитотраиспортныс свойства..................................,...76
3
3.8.4. Измерение ферромагнитного резонанса для РМП Се:Мп..............78
3.8.5. ФМР в дискретном сплаве вс/Мп..................................80
3.8.6. Свойства слоев германия, легированного железом.................81
3.9. Выводы.............................................................82
Глава 4. Свойства полученных осаждением из лазерной плазмы слоев разбавленных магнитных полупроводников на основе легированных марганцем или железом кремния...................................................................84
4.1. Введение............................................................84
4.2. Выбор легирующей 3<3- примеси.......................................84
4.3. Свойства слоев разбавленных магнитных полупроводников БпМп..........85
4.3.1. Исследование структуры выращенных образцов БпМп.................85
4.3.2. Магнитотранспортные свойства....................................92
4.3.3. Намагниченность слоев Бг.Мп.....................................94
4.3.4. Ферромагнитный резонанс для образцов ЗнМпЛЗаАз..................94
4.3.5. Магнитооптический эффект Керра (МОЭК) для слоев 8кМп............99
4.4. Сравнение свойств слоев однородно легированного БкМп и дискретного сплава 81: Мп...........................................................100
4.5. Влияние на магнитные и электрические свойства слоев кремния с примесью марганца последующих отжигов и введения дополнительных мелких примесей при формировании........................................................101
4.5.1. РМП ЭкМп на кремнии, влияние дополнительного легирования 101
4.5.2. Влияние последующих термических лазерных отжигов на свойства слоев
Бг.Мп..........................................................102
4.5.3. Влияние ионного облучения бором на свойства слоев 8кМп.........104
4.6. Свойства слоев БгМп на подложках из сапфира или кварца.............105
4.7. Свойства слоев разбавленных магнитных полупроводников БкРе.........109
4.8. Выводы.............................................................111
Заключение................................................................112
Основные результаты работы и выводы.......................................112
Основные публикаций автора по теме диссертации............................115
Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах.........................115
Публикации в материалах международных, всероссийских и региональных
конференций.............................................................116
Список цитируемой литературы..............................................120
4
Список сокращений
АЭХ аномальный эффект Холла
ВИМС вторично-ионная масс-спектрометрия
ВЧ высокая частота
гмс гигантское магнетосопротивление
дмэ дифракция медленных электронов
ДОБЭ дифракция отраженных быстрых электронов
ило импульсное лазерное осаждение
лвэ лазерная вакуумная эпитаксия
млэ молекулярно-лучевая эпитаксия
моэк магнитооптический эффект Керра
мс магнетосопротивление
мем магнитно-силовая микроскопия
мтп магнитный туннельный переход
ЫН немагнитный полупроводник
ОМС отрицательное магнетосопротивление
РККИ Рудермана-Кигтеля-Касуи-Иосиды (взаимодействие)
РМП разбавленный магнитный полупроводник
РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
СВЧ сверхвысокая частота
СОМ сканирующая Оже-микроскогжя
У млэ ускоренная моекулярно-лучевая эпитаксия
ФМР ферромагнитный резонанс
ФЭС рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия
ЭОС оже-спектрометрия
ЭПР электронный парамагнитный резонанс
5
Введение
Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) привлекают внимание возможностью совмещения в них полезных свойств полупроводников и ферромагнетиков, что важно для развития нового научного и технологического направления - спинтроники. Это направление отличает стремление непосредственно использовать спин электронов как дополнительную к поступательному движению степень свободы. В спинтронных устройствах формируются наноразмерные структуры, содержащие магнитные и немагнитные материалы. Имеются предпосылки к тому, что РМП на основе алмазоподобных полупроводников позволят формировать более качественную, чем в ранее исследованных металлических вариантах, границу ферромагнетик - немагнитный полупроводниковый материал. Настоящая работа посвящена развитию лазерной технологии формирования наноразмерных слоев новых магнитных материалов - РМП на основе алмазоподобных соединений III-V и исследованию возможности применения этой технологии для формирования РМП на основе элементарных полупроводников германия и кремния. Для исследования свойств новых материалов применялся широкий комплекс современных магнитотранспортных, магниторезонансиых, магнитооптических, структурных и микрозондовых методов исследования.
Актуальность темы исследования
К началу выполнения настоящей работы положительные результаты выращенных РМП были получены на соединениях III-V, чему свидетельствует то, что большая часть публикаций была посвящена РМП на основе этих соединений и, главным образом, легированному марганцем арсениду галлия Ga|.xMnxAs. К настоящему времени эти материалы хорошо изучены, но до сих пор методы получения таких РМП не позволили достигнуть максимальной температуры Кюри (Тс) GauxMnxAs превышающей 170 К [I], что исключает применение этого материала при комнатных температурах, а значит и широкое промышленное применение таких материалов невозможно. PM1I на основе элементарных полупроводников IV группы, таких как Ge Si. особенно привлекательны в связи с их совместимостью с наиболее распространенной кремниевой технологией. В литературе были лишь отрывочные сведения о РМП на основе Ge и Si с примесью Мп. В случае Ge:Mn Тс не превышала 116К [2]. Наиболее распространенным методом выращивания слоев магнитных сплавов полупроводников с 3d элементами является метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Вместе с тем были опубликованы обнадеживающие данные получения ионной имплантацией марганца в кремний слоев Si:Mn с точкой Кюри выше 300К [3, 4]. Импульсная лазерная технология со сверхбыстрой
6
кристаллизацией, обеспечивающей пересыщение полупроводникового твердого раствора Зё-нримесью, позволила ранее в нашей лаборатории получить первые результаты успешного синтеза РМП на основе антимонидов галлия и индия с точкой Кюри выше комнатной температуры [5]. Мы полагаем, что по неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твердого раствора 3(1- примеси наносекундный импульсный лазерный синтез не уступает ионно-лучевому легированию и может быть перспективным для синтеза РМП на основе Се и 81. Поэтому было целесообразно продолжить эксперименты по синтезу РМП на основе соединений Ш-У и исследовать возможности лазерной технологии для формирования высокотемпературных РМП на основе Ое и 81.
Цель и основные задачи исследования
Цель диссертационной работы состоит в исследовании возможностей лазерного синтеза РМП с точкой Кюри выше комнатной температуры на основе легированных 36-элементами группы железа соединений Ш-У и элементарных полупроводников ве и 81, определения электрической и магнитной активности 3(1- примеси, влияния дополнительного легирования мелкими примесями на проявления ферромагнетизма в РМП.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Продолжить комплексное исследование с применением магнитотранспортных, магниторезонансных, магнитооптических, структурных и микрозондовых методов исследования наноразмерных слоев РМП на основе соединений Ш-У, полученных осаждением из лазерной плазмы.
2. С применением того же комплекса методов исследовать возможности лазерного синтеза наноразмерных слоев высокотемпературных РМП на основе элементарных полупроводников германия и кремния, легированных 3(1- элементами группы железа. Изучить влияние режимов осаждения, лазерного оотжига, дополнительного легирования слоев на их свойства.
Научная новизна работы
1. Впервые синтезированы наноразмерные слои новых ферромагнетных материалов -РМП с температурой Кюри до 500 К: на основе соединений III-V антимонидов галлия и индия с температурой Кюри до 500 К, элементарных полупроводников Се и 81 с температурой Кюри до 400 К и 500 К, соответственно. Это обусловлено применением существенно неравновесной технологии НЛО.
7
2. Показано, что даже в аморфном состоянии РМП на основе соединений III-V ОаБЬ, 1п8Ь, 1пАз, германия и кремния имеют на два порядка большую подвижность носителей тока по сравнению с ранее известными магнитными полупроводниками - халькогенидами меди и хрома с точкой Кюри выше комнатной температуры.
3. Ферромагнетизм в этих РМП обусловлен твердым раствором Зб-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы, возможно управление свойствами РМП на основе 81 путем введения дополнительной акцепторной примеси.
Практическая значимость работы
1. Показана возможность лазерного осаждения нелегированных эпитаксиальных слоев кремния с высоким структурным совершенством и высокой подвижностью носителей тока.
2. Разработана технология лазерного синтеза РМП с гладкими границами на основе соединений III-V (ОаБЬ, 1пБЬ) и элементарных полупроводников ве и 81.
3. Получены методом ИЛО РМП с температурой Кюри выше комнатной температуры на основе соединений 1И-У (ОаБЬ, 1п8Ь) и элементарных полупроводников Ое и 81.
Основные положении, выносимые на защиту
1. Возможен лазерный синтез наноразмерных слоев новых ферромагнитных материалов - РМП на основе соединений Ш-У Оа8Ь, 1п8Ь, 1пА$ и германия монокристаллических подложках арсенида галлия, кремния на монокристаллических подложках арсенида галлия, кремния, сапфира и аморфного оксида кремния, легированных до 10-15 ат.% марганцем или железом. Ферромагнетизм слоев, высокие магнитная и акцепторная активность Мп и Ре проявились в наблюдениях при 77-500 К эффекта Керра, аномального эффекта Холла, отрицательного магнитоспротивления, высокой дырочной проводимости и анизотропного ферромагнитного резонанса.
2. По неравновесной термодинамике формирования пересыщенного твердого раствора Зб-примеси в элементарных полупроводниках ве и Б1 лазерный синтез превосходит технологию молекулярно-лучевой эпитаксии и в случае кремния не уступает ионно-лучевому легированию, примененному другими исследователями для формирования ферромагнитных слоев ЭкМп.
3. Известные ранее данные об электронных уровнях перезарядки примесных 36-атомов в алмазоподобных полупроводниках позволяют выбрать наиболее предпочтительные примеси группы железа для реализации в этих полупроводниках высокотемпературного ферромагнетизма но механизму РККИ.
8
4. Разбавленные магнитные полупроводники на основе алмазоподобных полупроводников имеют на два порядка большую подвижность носителей тока по сравнению с ранее известными магнитными полупроводниками - халькогенидами меди и хрома с Тс выше комнатной температуры.
5. Микрозондовые измерения в сочетании с высокой электрической и магнитной активностью Зс1-примеси свидетельствуют, что ферромагнетизм обусловлен твердым раствором Зс1-примеси, а не включениями ферромагнитной фазы. В случае Si, легированного Мп, это подтверждается данными влияния ионного облучения бором, сравнением со свойствами синтезированных нами дискретных сплавов и тем, что из всех бинарных силицидов только железо с кремнием образует ферромагнитные сплавы с Тс не ниже комнатной температуры.
Личный вклад автора
Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в проведении технологии получения слоев новых магнитных материалов, экспериментальных исследований магнитотранспортных свойств синтезированных материалов и обработке экспериментальных данных. Анализ и интерпретация результатов выполнялись совместно с научным руководителем и соавторами публикаций по теме диссертации.
Работа была выполнена при финансовой поддержке следующих грантов:
1. МНТЦ G1335 (2007-2009)
2. Проект № 2.1.1/2833 аналитической ведомственной целевой программы “Развитие
научного потенциала высшей школы (2009-2010)
3. Проект № 2.1.1/12029 аналитической ведомственной целевой программы
“Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)”
4. Лот НОЦ, Государственный контракт от «29» марта 2010 г. № 02.740.11.0672
(2010-2012)
5. РФФИ 05-02-17362а
6. РФФИ 08-02-01222а
7. РФФИ 11-02-00855-а
Апробации работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI/XI1/X1II/XIV/XV Международный симпозиум «Нанофизика и
наноэлектроника» (Нижний Новгород, 10-14 марта 2007 Г./10-14 марта 2008 Г./16-20 марта 2009 Г./15-19 марта 2010 Г./14-18 марта 2011 г.); Euro-Asian Symposium «Magnetism on a Nanoscale», EASTMAG-2007 (Kazan, August 23-26, 2007); International Conference «Spin
Electronics: Novel Phenomenon and Materials», «Spin Electronics 07» (Tbilisi, Georgia, October 22-24, 2007); Moscow International Symposium on Magnetism «MISM-2008» (Moscow, June 20-25, 2008); V/VI/VII Международная конференция и IV/V/VI Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, манометровых структур и приборов на его основе «КРЕМНИЙ-2008»/«КРЕМНИЙ-2009»/«КРЕМНИЙ-2010» (Черноголовка, 1-4 июля 2008 г./Новосибирск, 7-10 июля 2009 г./Нижний Новгород, 6-9 июля 2010 г.); 7-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 7-10 октября 2008 г.); II/1II Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Казань, 28-31 октября 2008 г./Нижний Новгород, 26-29 октября 2010 г.); 14-я/15-я Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины) (Нижний Новгород, 19-23 апреля 2009 Г./19-23 апреля 2010 г.); XXI Международная конференция «Новое в магнетизме и магнитных материалах», НМММ XXI (Москва, 28 июня - 4 июля 2009 г.); IV Украинская научная конференция по физике полупроводников, УНКФП-4 (Запорожье, Украина, 15-19 сентября 2009 г.); II Международный, междисциплинарный симпозиум «Среды со структурным и магнитным упорядочением», MULTIFERROICS-2 (Ростов-на-Дону-Лоо, 23-28 сентября 2009 г.); Workshop on Nanomagnetism, Spin-Elcctronics and Quantum Optics, NSEQO 2009 (Rio de Janeiro, Brazil, November 11-13,2009).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 34 печатных работ, в том числе 7 статей [А1-А7] в ведущих рецензируемых научных журналах и 27 публикаций [А8-А34] в материалах международных, всероссийских и региональных конференций.
Объем и структу ра диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 127 страниц, содержащих 77 рисунка и 4 таблицы. Библиографический список цитируемой литературы содержит 106 наименований.
10
- Київ+380960830922