Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния

Содержание.
Jfccip.
Введение. 3
Глава 1. Обзор литературы. 13
1.1 Особенности транспортных свойств ферромагнитных материалов. 13
1.1.1. Эффекты гигантского и анизотропного магнетосопротивления в магнитных материалах. 13
1.1.2. Эффект Холла в магнитных пленках. 14
1.2 Основные понятия теории перколяционной проводимости. 17
1.3 Имеющиеся результаты исследований магнитных систем на основе кремния. 21
Глава 2. Экспериментальная методика н ее анробацнн. 25
2.1 Экспериментальная установка. 25
2.2 Апробация экспериментальной методики. 29
2.2.1 Исследования двухслойных пленок Сг/Со. 29
2.2.2 Исследования поликристаллических пленок Fe3Si. 43
Глава 3. Транспортные и магнитные свойства многослойных нанострукту р Coo.45Feo.45Zro.i/(«-Si). 50
3.1 Методика получения образцов. 50
3.2 Зависимости сопротивления от толщины слоев металла и температуры. 54
3.3 Матнетосопротивление. 58
3.4 Намагниченность. " 62
3.5 Эффект Холла. 65
Глава 4. Транспортные и магнитные свойства пленок MnxSi|.v. 71
4.1 Методика получения образцов. 71
4.2 Структурные свойства. 75
4.3 Намагниченность. 78
4.4 Магнитотранспортные свойства. 82
4.5. Модель ферромагнитного упорядочения. 97
Заключение. 100
Снисок литературы. 103
2
Введение.
В последнее время интенсивно развивается новая область микроэлектроники -спиновая электроника или спинтроника, изучающая явления и устройства, в которых существенную роль играет спиновая поляризация носителей заряда [1].
Обнаружение в 1988 г. в слоистых системах Fe/Cr эффекта гигантского магнето сопротивления (MC) [2], возникающего из-за спин-зависящсго рассеяния электронов на межслоевых границах раздела, положило начало широкому исследованию магнитных гибридных систем не только на основе металлов, но и диэлектриков и полупроводников. Толчком к интенсивному изучению последних послужило также обнаружение в 1992 г. ферромагнетизма в HI-V полупроводниках [3], сильно легированных Мп, с температурой Кюри достигающей в настоящее время около 200 К в случае GaMnAs. Полупроводниковые магнитные системы могут обеспечить эффективную спиновую инжекцию в немагнитные полупроводники и потому представляют особый интерес ввиду их возможного использования при создании новых устройств спинтроники (спиновых светодиодов и транзисторов, магниторезистивной памяти с произвольным доступом) [4]. Однако, исследования данных систем выполнены в настоящее время в основном на примере III-Mn-V полупроводников и слоистых III-V/Mn структур (типа дискретных сплавов) на их основе [5]. Значительно меньшее число работ посвящено исследованию транспортных свойств магнитных систем на основе полупроводников IV группы (Si и Ge), хотя эти системы наиболее интересны для практических применений, поскольку легко интегрируемы в существующую микроэлектронную технологию.
Среди кремниевых магнитных систем достаточно подробно изучены слоистые структуры типа Fe/(a-Si), что связано с обнаруженным в них достаточно сильным эффектом обменного взаимодействия ферромагнитных слоев железа через аморфную полупроводниковую прослойку Si [6]. Однако, в основном эти работы были направлены на исследование магнитных свойств данной системы, тогда как изучению в них спин-зависящих эффектов в электронном транспорте (отрицательному магнетосопрогивлению 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 спинтроники. Похожая ситуация имеет место и при исследованиях магнитных систем на основе Si и Мп. В частности, в недавних работах сообщалось о наблюдении
3
ферромагнетизма, инициированного носителями заряда (carrier-mediated ferromagnetism), с температурой Кюри Тс ~ 250 К для однородно легированных слоев MnxSii.x [7] и с Тс > 300 К в- случае Si/Mn дискретных сплавов [8]. Эти наблюдения основаны на изучении только намагниченности объектов,, которая может однозначно указывать на наличии спиновой поляризации носителей лить в однофазпых разбавлешшх магнитных полупроводниках (РМП) в условиях непрямого обмена магнитных примесей посредством носителей заряда. На примере HI-Mn-V полупроводников установлено (см; [91 и ссылки там), что при наличии второй фазы- (ферромагнитных нанокластеров MnAs или MnSb) 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. С другой стороны, в однофазных РМП существенную роль траст аномальный эффект Холла (АЭХ), который пропорционален намагниченности и определяется спиновой поляризацией носителей. В III-Mn-V 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 систсм [5]. Между тем, в случае MnxSii.* систем данные по исследованию АЭХ при повышенных температурах к моменту настоящей работы отсутствовали. •
Магнитные: системы на основе Si обладают более сложным характером беспорядка, чем на основе III-V полупроводников, что, связано с существенно более низкой растворимостью в Si переходных 3d металлов и высокой химической активностью кремния, обусловливающей формирование различных типов силицидов. В эгом случае Мл, например, уже при достаточно малых содержаниях может занимать как положения замещения, (акцепторные) кристаллической решетки, так. и ес мсждоузельные (донорные) положения, причем при- низких температурах роста слоев (~ 300 °С) образовывать различные типы силицидов (MnSi, MiiiSi? и др.). Другими словами, магнитные системы на основе кремния являются сильно неупорядоченными объектами, беспорядок которых обусловлен не только флуктуациями кулоиовского и обменного взаимодействий как. в обычных РМП, но и сильными структурными флуктуациями их состава. Понимание элскгрофизических свойств таких систем находится в насгоящее время в зачаточном состоянии. Поэтому исследования спин-зависящих эффектов в их электронном транспорте являются актуальной научно и практически значимой задачей.
Сложный характер Si магнитных систем потребовал комплексного подхода в исследованиях, а также развитие экспериментально методического аппарата прецизионных
4
измерений не только магнетосопротивления'И АЭХ, но и планарного эффекта Холла (ПЭХ), который оказался весьма чувствительным к анизотропии» отрицательного)- MC и многодоменному состоянию пленок.
Целью работы являлось экспериментальное исследование спин-зависящих эффектов в электронном транспорте Si магнитных систем (многослойных Coo^sFco-tsZro i/(tf-Si) структур и MnxSii-* слоев) методами магнегосопротивлспия, аномального и планарного эффектов Холла. - /
При достижении поставленной цели решены следующие задачи:
• Создана экспериментальная методика прецизионных измерений^ транспортных характеристик неупорядоченных объектов в диапазоне температур 5 - 300'К в нолях до 3 Тл, которая, в частности, апробирована на примере исследований* планарного эффекта Холла в нанряженных двухслойных структурах на основе Со и антиферромагнетика Сг, а также в поликрисгаллпческнх пленках силицида FeaSi.
• Изучены магнитонолевые, температурные и концентрационные зависимости эффекта Холла (включая-ПЭХ) и магнстосопротивления: 1) в многослойных CooTsFeoasZro j/a-Si структурах с различной толщиной-я-Si (ds - 0.7-3.5 нм).и металла (d„, = 2.5-3.5 нм); 2) в MtTjSii.* слоях с повышенным содержанием Мл (около 35 ат. %).
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Исследованы, эффект Холла и магнетосопротивленис в двухслойных пленках Сг(5нм)/Со(20нм), полученных ионным распылением - на кремниевую подложку. В этих структурах выявлен планарный эффект Холла (ПЭХ), который в отличие от обычно-наблюдаемого ПЭХ, является симметричным по знаку изменения угла поворота магнитного момента в плоскости пленки. На основе измерений петель гистерезиса намагниченности при различных ориентациях поля и ПЭХ при наложении слабого продольного поля показано, что симметричный ПЭХ связан с многодоменным состоянием- пленки Со в двухслойных структурах Сг/Со.
2. Исследованы многослойные (с числом бислоев 100) структуры Соо .isFco-isZro i/tf-Si, полученные путем ионно-лучевого распыления на ситалловые подложки при комнатной температуре. Показано, что при уменьшении толщины металла dm от 3 до 1.3 нм проводимость структур испытывает перколяционный переход от металлической к туннельной проводимости при dm < dmc « 2.2 нм, сопровождаемый экспоненциальным ростом сопротивления с уменьшением dm. Металлический характер проводимости при толщинах
ОС-1о£ ,
типичному для металл-диэлсктрических нанокомпозитов на металлической стороне перколяционного перехода.
3. Впервые для нанокомпозитов подобного типа вблизи перколяционного перехода обнаружен эффект анизотропного магнетосопротивления (АМС), а также планарный эффект Холла (ПЭХ). Выявлена связь АМС и ПЭХ с поперечным (между холловскнми зондами) магниторезистивным эффектом, достигающим по величине 6-9%. При толщинах слоев аморфного кремния (1$ < 1 нм помимо АМС обнаружено изотропное по характеру отрицательное магнетосопротивление (МС) порядка 0.15 %, обусловленное спин-зависящими переходами электронов между соседними ферромагнитными слоями при антиферромагнитном характере обменного взаимодействия между ними.
4. Показано, что при Т = 300 К и ориентации поля вдоль плоскости структуры Соо.«Рео.45гго.|/я-81 отношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения в структурах с 4 « 1 нм составляет М/М3 « 0.7, тогда как в гранулированных слоях в окрестности перколяционного перехода это отношение £ 0.5 [10]. При этом поле насыщения намагниченности И3 превышает 3 кЭ, что заметно больше значений Н5, наблюдаемых в достаточно толстых аморфных пленках. Отношение М/М? ~ 0.7 объясняется преобладанием вклада биквадратичного взаимодействия, стремящегося выстроить магнитные моменты соседних слоев ферромагнетика перпендикулярно друг другу, над антиферромагнитным (билинейным) обменом, который, однако, в структурах Ре/ст-81 является доминирующим при Г= 300 К.
5. Предложена качественная модель для описания обнаруженных особенностей многослойных структур Соо.45рео.452го.|/а-Я, основанная на нерколяционных представлениях о проводимости металлических слоев и локальной их связи между собой низкоомными прослойками силицида через мертвые концы иерколяционной сетки. При этом случайный характер пересечения мертвых концов приводит к имитации сильного биквадратичного обменного взаимодействия в исследуемых структурах, а также к появлению изотропного по характеру отрицательного (спин-зависящего) МС, который определяется полевым изменением магнитного момента системы от 0.7 М3 до М5. В то же время ПЭХ в слоистых структурах Соо.45Рео.452гол/я-81 характеризует в первую очередь эффекты поворота магнитного момента величиной « 0.7 А/, и определяется эффектом АМС.
6
6. Исследованы транспортные и магнитные свойства слоев МщБц.х с высоким содержанием Мп (около 35 ат.%), полученных методом лазерной эпитаксии.при 300 - 350°С. Впервые в системе на основе и Мп обнаружен аномальный эффект Холла (АЭХ), который доминирует над нормальной компонентой эффект Холла вплоть до комнатной температуры, сохраняя гистерезисный характер до « 230 К. Знак ,АЭХ оказался противоположен дырочному типу проводимости МпдБи.х слоев; концентрация*которых в слоях достигает р « 2*1022 см'3. Показано, что для образцов, выращенных при<температурах роста Т8 = 300°С, АЭХ определялся механизмом “зкечу-всаиепод”, тогда .как при повышении Т8 до 350°С и увеличении проводимости образцов наблюдается переход к ‘^бе^шпр” механизму АЭХ. Большие значения температуры Юорн (Тс> 200К), полученных слоев, невозможно объяснить только формированием силицидов Мп, поскольку их максимальные значения Тс не превышают 50 К.
7. Показано, что МпхБц.* слои обладают металлическим типом проводимости (падение сопротивления при уменьшении Т от 300 до 5 К достигает 2 раз). При- этом температурные зависимости сопротивления- образцов демонстрируют резкий спад при температурах ниже 40К. В этих условиях обнаружено необычное поведение петли гистерезиса АЭХ - вплоть до уменьшения коэрцитивного поля с понижением температуры- в образце с минимальным содержанием дефектов.
8. Установлено, что намагниченность насыщения Мп^и* слоев слабо уменьшается при увеличении температуры. до 200-К. Показано, что при Т - 77 К полевая зависимость намагниченности М(В) носит гистерезисный. характер. При этом полевая- зависимость холловского сопротивления /?,/(/;) коррелирует с поведением намагниченности М(В), что позволило найти коэффициент аномального эффекта Холла « 1.0*10'8 Ом см/Гс, который на четыре порядка превышает значение в ферромагнитных металлах.
9. Свойства МцгБЬ-х слоев объясняются в рамках модели двухфазной системы, в которой ферромагнитные (ФМ) кластеры, содержащие междоузельные ионы Мп с локализованным спином, встроены в матрицу слабого зонного ФМ типа Мп812-х (* ~ 0.3) с делокализованной спиновой- плотностью. Дальний ФМ при высокой температуре обусловлен как обычным РККИ - обменом этих кластеров через свободные носители, концентрация которых в матрице достигает 2*10" см*, так и обменом через спиновые флуктуации. Об эффекте вымораживания этих флуктуаций с понижением температуры свидетельствует резкое уменьшение сопротивления образцов ниже 40 К и необычное поведение петли гистерезиса АЭХ в этих условиях.
Практическая значимость диссертации обусловлена тем, что полученные в настоящей работе данные позволяют оценить степень влияния неупорядоченности в системе на характер проводимости и магнитные свойства Si структур. Также показана возможность создания на исследуемых пленочных системах элемента магнитной памяти. Данная идея запатентована (патент на изобретение №2320033, «Элемент магнитной памяти на планарном эффекте Холла», [11])- Результаты работы актуальны для современной микроэлектроники еще и тем, что получены для структур на основе наиболее технологичного материала -кремния.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 91 пункта. Объем диссертации составляет 109 страниц, включая 50 рисунков и 2 таблицы.
В первой главе дается обзор литературы посвященной исследованию магнитотранспортных свойств систем на основе переходных 3d переходных металлов и полупроводников. В частности, кратко описаны явления анизотропного (АМС) и гигантского магнетосопротивлений (ГМС) в магнитных струкгурах (раздел 1.1). Рассмотрен эффект Холла в магнитных полупроводниковых системах, в частности, аномальный эффекта Холла (АЭХ) и планарный эффекта Холла (ПЭХ), и методика анализа поведения намагниченности магнитных систем с использованием АЭХ. В разделе 1.2 рассмотрена теория перколяционной проводимости разу порядочен ньтх структур и механизмов проводимости в перколяциоипых струкгурах. В заключительной части главы приведены недавние результаты, полученные в других экспериментальных группах, которые проводили исследования систем подобных тем, что рассматриваются в диссертации, и сформулированы задачи работы.
Во второй главе описана методика комплексных исследований транспорты* свойств разбавленных магнитных полупроводников (РМП). В разделе 2.1 приведены схемы основных узлов автоматизированной установки для гальваномагнитных измерений образцов с сопротивлением от 1 до 10ю Ом в диапазоне температур 4.2 - 300 К, в магнитных полях до 3 Тл с различной ориентацией поля относительно плоскости образца. В разделе 2.2 представлены результаты апробации экспериментальной установки на примере исследований эффекта Холла в напряженных двухслойных струкгурах Со/Сг и в поликристаллических пленках силицида FejSi. При исследованиях ПЭХ двухслойных пленок Сг(5нм)/Со(20нм) выявлен четный но iiojno ПЭХ, трансформирующийся к нечетному виду
8