ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 57-60
УДК 621.382
ПРИМЕНЕНИЕ КОБАЛЬТА В СПИНОВЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ ШОТТКИ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ InGaAs/GaAs
© 2015 г. А. И. Бобров, Ю. А. Данилов, М. В. Дорохин, А. В. Здоровейщев*, Н. В. Малехонова, Е. И. Малышева, Д. А. Павлов, С. Сайед
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия
*Е-таИ: zdorovei@gmail.com Поступила в редакцию 10.06.2014 г.
Созданы и исследованы светоизлучающие диоды со спиновой инжекцией на основе гетероструктур с квантовыми ямами 1пОаА8/ОаА и контактным слоем из ферромагнитного металла (Со). Экспериментально обнаружен эффект проникновения кобальта в ОаАз. Показано уменьшение концентрации атомов кобальта в приповерхностных слоях полупроводника при использовании туннель-но-тонких слоев А1203 (толщиной 1—3 нм) в качестве диффузионного барьера. На диодах с контактом Со/А1203/ОаА8 зарегистрировано циркулярно-поляризованное излучение, обусловленное инжекцией спин-поляризованных дырок из ферромагнитного контакта в полупроводник.
Ключевые слова: электролюминесценция, диод Шоттки, ферромагнитный инжектор. БО1: 10.7868/80207352815070057
ВВЕДЕНИЕ
Создание и исследование источников цирку-лярно-поляризованного излучения, знаком и степенью которого можно управлять путем приложения к системе внешнего магнитного поля, является актуальной задачей современной оптоэлектроники и спинтроники [1]. Настоящая работа посвящена проблеме создания подобных источников — спиновых светоизлучающих диодов, в которых в качестве инжектора спин-ориентированных носителей тока используются тонкие слои ферромагнитного металла. Основной проблемой при использовании такого инжектора является образование промежуточных фаз и дефектов на границе раздела ферромагнетик/полупроводник, которые формируют "магнито-мертвый" слой, препятствующий эффективной спиновой инжек-ции [2]. Целью работы являлось исследование дефектов границы раздела ферромагнетик/полупроводник и возможности повышения ее кристаллического качества за счет встраивания туннельно-тонких диэлектрических слоев.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На поверхности светоизлучающей гетеро-структуры с квантовыми ямами 1пОаАз/ОаАз методом электронно-лучевого испарения в вакууме был сформирован ферромагнитный металлический инжектор на основе тонких пленок Со. Гете-роструктуры ¡пОаАз/ОаАз были изготовлены методом газофазной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода [3]. На подложке
сильнолегированного GaAs (001) п+-типа при 630°C последовательно выращивались: буферный слой n-GaAs толщиной 500 нм; три квантовые ямы InxGa1 -xAs толщиной 10 нм, разделенные спейсерными слоями GaAs толщиной 30 нм и покровный слой GaAs (30 нм). На части гетеро-структур покровный слой выращивался при температуре 400°C методом лазерного распыления мишени нелегированного GaAs. Квантовые ямы различались содержанием индия (x = 0.25, 0.2, 0.15 соответственно по мере удаления от поверхности структуры).
Измерялись спектры фотолюминесценции (ФЛ) исходных гетероструктур и спектры ФЛ тех же структур после нанесения и химического стравливания металлического контакта. Фотолюминесценция возбуждалась с рабочей стороны структур He—Ne лазером мощностью 30 мВт, спектры регистрировались при T = 77 K. Структура и элементный состав слоев исследовались на поперечном сечении образцов с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM_2100F (JEOL, Япония). Препарирование образцов осуществлялось по стандартной технологии при помощи системы 691 PIPS (Gatan, США) [4]. Распределение компонентов и примесей анализировалось на поперечном сечении структур с использованием энергодисперсионного рентгеновского спектрометра (ЭДС) Х-Мах (Oxford Instruments, Великобритания), встроенного в электронный микроскоп.
На части сформированных диодных структур были проведены измерения электролюминесцен-
/фл, отн. ед.
1.3 1.4 1.5 эВ
Со
ОаА8
т^аА
ОаА8
тОаА
ОаА8 1пОаА8
50 нм 1 11 ОаА8 [001] [1-0] ^_
Рис. 1. Спектры ФЛ (Т = 77 К) структур: 1 - исходная; после нанесения разных пленок: 2 - А^Оз/Со; 3 - Со.
Рис. 2. ПЭМ-изображение структуры с тремя квантовыми ямами и металлическим инжектором, полученное в светлопольном режиме.
ции (ЭЛ) и циркулярной поляризации ЭЛ в диапазоне температур 10-110 К. Электролюминесценция возбуждалось при подаче на диод прямого смещения (положительный относительно подложки потенциал). При введении диода во внешнее магнитное поле (0-0.3 Тл), приложенное перпендикулярно плоскости структуры, ЭЛ-излучение становится частично циркулярно-поляризован-ным. Значение степени циркулярной поляризации ЭЛ оценивалась из соотношения
Рэл = (1+ - !-)/(!+ + I-), (1)
где 1+(1) - интенсивности компонент с левой (правой) поляризацией, полученные путем интегрирования участка спектра в окрестности энергии максимума излучения. Изучались зависимости степени циркулярной поляризации от магнитного поля при различных температурах измерений. Детали методики измерений изложены в [5, 6].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 (кривая 1) приведен спектр фотолюминесценции исходной гетероструктуры с высокотемпературным покровным слоем. Пики ФЛ на 1.28, 1.34, 1.39 эВ соответствуют энергиям основных переходов в КЯ 1пОаА с х = 0.25, 0.20, 0.15. После нанесения и удаления металлической пленки Аи спектр ФЛ не претерпел изменений. Нанесение и удаление пленки Со привело к изменениям спектра, а именно к снижению на два порядка интенсивности пика ФЛ от КЯ с х = 0.25, ближней к поверхности (рис. 1, кривая 3); при этом интенсивность остальных пиков осталась практически без изменений. Такое гашение ФЛ мы связываем с увеличением вероятности безыз-лучательной рекомбинации через дефекты, вносимые атомами Со при диффузионном проник-
новении в глубь структуры. Отметим, что глубина проникновения дефектов, вероятно, лежит в диапазоне 30-70 нм, поскольку уменьшение интенсивности пика ФЛ зарегистрировано только для первой квантовой ямы с глубиной залегания 30 нм, интенсивность пиков ФЛ квантовых ям с глубинами залегания 70 и 110 нм не изменилась.
Диффузия кобальта также подтвердилась данными ПЭМ и ЭДС-анализа. На рис. 2 приведен ПЭМ-снимок поперечного среза структуры с тремя КЯ ¡пОаАз/ОаАз и высокотемпературным покровным слоем после нанесения пленки кобальта толщиной 20 нм. Отчетливо виден контраст от металлической пленки Со и трех квантовых ям, одинаковых по ширине и отличающихся содержанием 1п. По данным ПЭМ определялись толщины слоев и была составлена уточненная схема слоев полученной гетероструктуры (рис. 3, вставка). Из рис. 3 видно, что Со глубоко проникает внутрь гетероструктуры и регистрируется в первой КЯ в концентрации на уровне одного атомного процента. В случае низкотемпературного покровного слоя уменьшается интенсивность пиков ФЛ сразу двух ближних к поверхности КЯ, и, по данным ЭДС-анализа, регистрируется наличие Со по глубине структуры вплоть до второй КЯ. Очевидно, что в этом случае Со диффундирует более глубоко в гетероструктуру.
Создание диэлектрической прослойки А12О3 между ферромагнетиком и полупроводником позволило снизить влияние Со на люминесцентные свойства. При толщине пленки А12О3 более 1 нм спектр ФЛ в результате нанесения и удаления Со менялся незначительно. Интенсивность ФЛ пика на Е = 1.28 эВ (рис. 1 кривая 2) снизилась лишь в 2-3 раза. Уменьшение диффузионного проникновения кобальта и увеличение резко-
ПРИМЕНЕНИЕ КОБАЛЬТА В СПИНОВЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ 59
Концентрация, ат. % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
ш_
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Расстояние, нм
Рис. 3. Распределение компонентов по глубине структуры по данным ЭДС. На вставке — схема слоев, составленная по данным ПЭМ.
рэл, % 1.0
0.5
0.5
1.0
К! ^ 1 - А12О3/Со '-^¿¡¡к <& ¿¿¡ж™
„ & И _ 1 н - » нИ 83 ЙЯ $ 2 - А 1 1 1
0.3
0.2
0.1
0
0.1
0.2 0.3 И, Тл
Рис. 4. Зависимость степени циркулярной поляризации от магнитного поля (Т = 10 К) для линии 1.28 эВ структур после нанесения разных пленок: 1 — А^Оз/Со; 2 — Аи.
сти границы раздела ферромагнетик/полупроводник также подтвердили данные ЭДС-анализа. Аналогичный результат был получен и в случае низкотемпературного покровного слоя.
В структурах с контактом А12О3/Со были измерены спектры электролюминесценции. На спектрах (не приведены), аналогично спектрам ФЛ, наблюдаются три пика, энергии пиков в точности соответствуют данным ФЛ-измерений. Очевидно, зарегистрированные пики также обусловлены
излучательными переходами в КЯ. Для пика при энергии 1.28 эВ (от ближайшей к поверхности КЯ) зарегистрировано циркулярно-поляризован-ное ЭЛ-излучение. Степень циркулярной поляризации линейно зависит от величины магнитного поля в исследованном диапазоне (0—0.3 Тл). Наибольшее значение степени циркулярной поляризации составило 0.9% в магнитном поле 0.3 Тл (рис. 4, линия 1), что превышает значение 0.4%, полученное для контрольной структуры с Аи-
0
контактом (рис. 4, линия 2). Согласно [7, 8], это является свидетельством инжекции спин-поляри-зованных дырок из ферромагнетика в ближайшую к поверхности КЯ. Отсутствие петли насыщения степени поляризации, типичное для приборов со спиновой инжекцией [7], может быть обусловлено недостаточно широким диапазоном магнитных полей. Так, по данным [7], насыщение намагниченности кобальта наблюдается в магнитном поле выше 1 Тл. В диапазоне 00.3 Тл зависимость РЭЛ(В) близка к линейной аналогично случаю, показанному на рис. 4. Возможность инжекции спин-поляризованных дырок и формирование вследствие этого циркулярно-по-ляризованного излучения в диодах подобной конструкции были показаны ранее в [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С использованием методики оценки глубины проникновения дефектов внутрь структуры по степени гашения фотолюминесценции квантовых ям, расположенных на различных расстояниях от поверхности, в работе экспериментально обнаружено диффузионное проникновение кобальта в объем ОаАз на глубину до 70 нм. Показано, что в случае формирования низкотемпературных слоев (а следовательно, более дефектных) полупроводников происходит ускорение диффузии. Такое д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.