ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 1, с. 37-39
УДК 537.632;537.633
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В СЛОЯХ GaMnAs, НАНЕСЕННЫХ МЕТОДОМ
ЛАЗЕРНОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2007 г. О. В. Вихрова1, Ю. А. Данилов1' 2, Е. С. Демидов3, Б. Н. Звонков1, В. И. Ковалев4, З. Э. Кунькова4, В. В. Подольский1, М. В. Сапожников2, А. И. Сучков5,
М. П. Темирязева4
E-mail: vik@ire216.msk.su
Исследованы свойства слоев GaMnAs, выращенных методом лазерной эпитаксии на подложках полуизолирующего GaAs(100) при температурах процесса в пределах от 300 до 650°С. Обнаружена сильная анизотропия гистерезисных кривых угла поворота плоскости поляризации при изменении направления магнитного поля в плоскости образца в процессе исследования магнитооптического эффекта Керра (300 К). Впервые по МСМ-изображениям наблюдалась доменная структура в слоях GaMnAs при комнатной температуре.
В связи с интенсивным развитием спинтрони-ки значительный интерес вызывают разработка методов формирования и исследование свойств разбавленных магнитных полупроводников, в частности соединений Л3Б5, легированных Мп до концентраций, значительно превышающих предел растворимости примеси [1], и обладающих высокой температурой магнитного упорядочения.
В данной работе слои GaMnAs выращивались на подложках полуизолирующего GaAs (100) методом лазерной эпитаксии. Выращивание осуществлялось в реакторе МОС-гидридной эпитаксии при давлении порядка 50 Торр в потоке арсина. В качестве мишеней использованы нелегированный GaAs и металлический Мп. Для испарения использован импульсный АИГ : Ш-лазер (к = 1.06 мкм), работающий в режиме модулированной добротности. Автоматизированная оптическая система позволяла совершать круговое движение лазерного пучка на каждой мишени и периодическое переключение его с мишени GaAs на Мп. Варьировались интенсивность лазерного пучка, соотношение времен поочередного распыления GaAs и Мп (ХМп = ¿Мп/^заА8) и температура подложки (в пределах от 300 до 650°С). Толщина нанесенных слоев составляла -40-100 нм. Состав выращенных слоев был оценен методом рентгеноспектрального микроанализа при энергии электронов 25 кэВ.
1 Научно-исследовательский физико-технический институт
ННГУ, Нижний Новгород.
2Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород.
3Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского.
4Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники РАН.
5Институт химии высокочистых веществ РАН, Нижний Новгород.
Измерения эллипсометрических спектров в диапазоне 1.4-3.5 эВ показали, что нелегированные пленки GaAs, нанесенные лазерным методом, сохраняют основные особенности, характерные для переходов в области энергий квантов света, больших ширины запрещенной зоны полупроводника. Был зарегистрирован характерный двойной максимум, соответствующий прямым переходам Л3и ^ Л1с из валентной зоны в зону проводимости, с энергиями пиков 2.95 и 3.17 эВ. Дублетный характер максимума обусловлен спин-орбитальным расщеплением валентной зоны. С увеличением концентрации марганца в пленках наблюдаются постепенное размытие и исчезновение пиков дублета, вызванное структурным разупорядочением полупроводника.
Магнитооптический эффект Керра (МОЭК), измеряемый при комнатной температуре в меридиональной геометрии (когда внешнее магнитное поле Н приложено параллельно поверхности образца), показал наличие петли гистерезиса на зависимости угла поворота плоскости поляризации от величины Н (рис. 1, вставка). Величина коэрцитивного поля Нс зависела как от содержания марганца, так и от температуры нанесения слоев Тг В частности, для слоя GaMnAs, выращенного при 400°С, значение Нс составило 390 Э при ХМп = 0.5 и 480 Э при ХМп = 0.67. На зависимости коэрцитивного поля от температуры осаждения (рис. 1, кривая 1) имеется минимум, составляющий 310 Э для ХМп = = 0.67 и Тг = 450°С, а при увеличении или уменьшении температуры выращивания до значений 600°С и 350°С соответственно величина Нс возрастала до -600 Э. С уменьшением концентрации марганца при ХМп = 0.2 происходило смещение минимума величины коэрцитивного поля в область меньших температур (350-400°С) выращивания слоев GaMnAs.
H„ Э
600
400
200
~~i— Q
ВИХРОВА и др Hjm я, Ом
-1.2
- 1.1
400-200 0 200 400 "
_■_I H, Э
1.0
300 350 400 450 500 550 600 650 T °C
300-
200
100-
100
200
300
400
T, °C
Рис. 1. Зависимости коэрцитивного поля в эффекте Керра (левая шкала) и отношения коэрцитивных полей в двух взаимно перпендикулярных направлениях (правая шкала) от температуры выращивания слоев GaMnAs. Хмп = 0.67. На вставке представлены зависимости угла Керра от внешнего магнитного поля для двух перпендикулярных направлений поля в плоскости образца GaMnAs с ХМп = 0.67.
Ранее нами [2] было отмечено, что при измерениях МОЭК наблюдается анизотропия гистерезис-ных кривых в плоскости образца при переходе от
направления магнитного поля вдоль оси (110) к (110). В данной работе обнаружено влияние Тё на анизотропию гистерезисных кривых угла керров-ского вращения при изменении направления Н в плоскости образца (рис. 1, кривая 2). В качестве величины, характеризующей анизотропию намагничивания, нами принято отношение коэрцитивных полей в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости образца Ис/ Ирс. Эта величина зависела от Тё, причем ход зависимости был подобен ИС(Т^.
Варьирование температуры роста оказывает сильное влияние на процесс вхождения марганца в GaAs-матрицу. При более высоких, чем 450°С, и более низких температурах осаждения можно полагать, что большая часть избыточного Мп (оставшегося после замещения галлия) образует кластеры MnAs. В этом случае для слоев GaMnAs в эффекте Керра наблюдается сильная анизотропия. При температурах вблизи 450°С, вероятно, подавляющая часть свободного марганца входит в междоузлия, хотя включения фазы MnAs также образуются, но их меньше и вектор намагниченности ориентирован случайным образом. Как показано ранее [2], слои GaMnAs, полученные при температурах осаждения 450-500°С, обладали максимальным поверхностным сопротивлением. Наиболее
Рис. 2. Температурные зависимости сопротивления слоев: 1 - Tg = 350°C, XMn = 0.33; 2 - Tg = 350°C, XMn = = 0.2; 3 - Tg = 310°C, XMn = 0.2.
вероятная причина такого поведения - компенсация акцепторов Mn междоузельными атомами Мп,-, являющимися донорами. Измерения, выполненные с помощью ЭПР-спектрометра на частоте 9.3 ГГц при температурах 77 и 300 К, показали существенное СВЧ-поглощение, зависящее от магнитного поля, температуры и ориентации образца по отношению к Н, характерное для ферромагнитного резонанса (ФМР).
Электрические измерения включали исследование температурной зависимости сопротивления слоев Rs и изучение зависимости холловского сопротивления Rxy от величины внешнего магнитного поля, приложенного перпендикулярно поверхности. При всех выбранных условиях выращивания слои имели p-тип проводимости. Для слоев, выращенных при Tg > 350°С, зависимости Rxy от H линейные, что позволяет рассчитать холловские параметры: концентрацию дырок p и их подвижность ¡а. Так, для образца, выращенного при Tg = = 450°С, p = 1.5 • 1019 см-3 и а = 7 см2 • В-1 • с-1. Для образцов, выращенных при Tg < 350°С, эффект Холла является аномальным как при комнатной температуре измерений, так и при 77 К, а магнето-сопротивление - отрицательным (при 77 К отношение AR/R - -4 • 10-4 в поле 3600 Э).
Зависимости сопротивления структур от температуры измерений показаны на рис. 2. Обращает на себя внимание значительное снижение R при T < 320 K. Следует отметить, что на зависимости сопротивления от температуры для ферромагнитных полупроводников обычно наблюдается максимум вблизи температуры Кюри [3]. Таким образом, можно предполагать, что темпера-тура Кюри обсуждаемых слоев GaMnAs выше комнатной и составляет ~320 К.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 1 2007
ФЕРРОМАГНЕТИЗМ В СЛОЯХ GaMnAs
39
С помощью зондового микроскопа "Смена" (производства фирмы NT-MDT, Зеленоград) изучена морфология поверхности и магнитный рельеф выращенных слоев. Морфология выращенных слоев характеризуется неровностями, свойственными методу лазерного нанесения. Изображения, полученные методом магнитосиловой микроскопии (МСМ) и приведенные на рис. 3, демонстрируют полосовую доменную структуру в виде чередующихся светлых и темных полос с периодом около 25 мкм. Ориентация полос сохраняется в пределах образца (6 х 6 мм2). Невысокий контраст изображения обусловлен преимущественной ориентацией вектора намагниченности в плоскости образца и незначительным отклонением намагниченности от плоскости слоя в сторону нормали к поверхности. При приложении внешнего магнитного поля, параллельного исходной ориентации доменов (т.е. вдоль оси легкого намагничивания), при Н — 20 Э полосы исчезают, что соответствует переходу образца в монодоменное состояние. Во внешнем магнитном поле, перпендикулярном начальной ориентации доменов, происходит поворот доменов к направлению поля (рис. 36). Отмечается также снижение контраста изображения.
Наблюдаемая доменная структура свидетельствует о ферромагнитном упорядочении при комнатной температуре всего слоя GaMnAs. Гистерезис керровского вращения и его анизотропия коррелируют с наблюдением доменной структуры, ее одноосной анизотропией и перестройкой внешним магнитным полем.
Авторам известны лишь две публикации, в которых сообщается о наблюдении доменной структуры в слоях GaMnAs [4, 5]. В [4] доменная структура наблюдалась при Т = 3 и 20 К. Температура Кюри не превышала 90 К. В [5] крупные домены размером в сотни микрометров наблюдались при Т = 15 и 35 К для исследованных слоев GaMnAs с температурой Кюри Тс, равной 60 К. Таким образом, доменная структура в слоях GaMnAs при комнатной температуре измерений наблюдалась впервые в данной работе.
Можно сделать заключение, что комплекс выполненных исследований (магнитооптический эффект Керра, ферромагнитный резонанс и магни-тосиловая микроскопия) подтверждает наличие ферромагнетизма с Тс выше комнатной температуры в слоях GaMnAs, полученных методом лазерного осаждения.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты № 05-02-16624, 05-02-17362,
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.