ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 11, с. 1621-1622
УДК 621.315.592.3;537.622.4;537.633.2;537.635;537.611.44
НОВЫЕ РАЗБАВЛЕННЫЕ ФЕРРОМАГНЕТИКИ НА ОСНОВЕ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ GaSb, InSb, InAs, Ge и Si, СВЕРХПЕРЕСЫЩЕННЫХ ПРИМЕСЯМИ МАРГАНЦА ИЛИ ЖЕЛЕЗА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ЭПИТАКСИИ
© 2007 г. Е. С. Демидов1, В. В. Подольский2, В. П. Лесников2, Ю. А. Данилов2,3, М. В. Сапожников3, А. И. Сучков4, Д. М. Дружнов1
E-mail: demidov@phys.unn.ru
Приведены экспериментальные результаты изучения электрических, магнитных и магнитооптических свойств тонких (50-100 нм) слоев GaSb:Mn, InSb:Mn, InAs:Mn, Ge:Mn, Ge:Fe, Si:Mn и Si:Fe с точкой Кюри до 500 К, полученных осаждением из лазерной плазмы в вакууме в условиях сильного пересыщения твердого раствора Sd-примесью.
Разбавленные магнитные полупроводники (РМП) на основе легированных примесями группы железа алмазоподобных кристаллов с ферромагнитным упорядочением спинов 3^-ионов - перспективные материалы для осуществления спиновой инжекции носителей в немагнитные полупроводники и создания на их основе новых устройств спинтроники [1]. Ранее [2-4] была показана возможность синтеза тонких ферромагнитных эпитаксиальных слоев GaSb:Mn, МЬ:Мп InAs:Mn, полученных осаждением из лазерной плазмы в вакууме. Характерные для лазерной эпитаксии сверхбыстрая кристаллизация, нанометровая толщина слоев и ориентирующее влияние подложки обеспечивают сильное пересыщение твердого раствора 3d-примесью. Для спинтроники, совместимой с наиболее распространенной кремниевой твердотельной электроникой, особенно интересны РМП на основе элементарных полупроводников Ge и Si. Недавно [5] нами была показана возможность применения лазерной технологии для синтеза ферромагнитных слоев на основе германия и кремния, пересыщенных примесями марганца или железа. Согласно ранее выведенным закономерностям в поведении 3d-примесей группы железа в алмазоподобных полупроводниках [6] в случае Ge и Si наиболее предпочтительными по РККИ- (Рудермана - Киттеля - Касуи - Иосиды) механизму спинового упорядочения вариантами 3d-примесей являются марганец и железо [5]. В [5] ферромагнетизм слоев, высокие магнитная и акцепторная активность Мп в Ge, Мп и Fe в Si проявились в наблюдениях при 77-500 К магнитооптического эффекта Керра (МОЭК), аномального эффекта Холла (АЭХ), высокой дырочной про-
1 Нижегородский государственный университет им. Н.И.
Лобачевского, Нижний Новгород.
2Научно-исследовательский физико-технический институт
ННГУ, Нижний Новгород.
3 Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород.
4Институт химии высокочистых веществ РАН, Нижний Новгород.
водимости и анизотропного ферромагнитного резонанса (ФМР). По данным ФМР, точка Кюри Ge:Mn, Si:Mn на монокристаллических подложках арсенида галлия и Si:Fe на подложках сапфира не ниже 420, 500 и 77 К соответственно. В настоящей работе приведены более подробные, чем в [4, 5], данные ФМР слоев GaSb:Mn, ЬйЬ:Мп, InAs:Mn/GaAs, Ge:Mn/GaAs, Si:Mn/GaAs и Si:Fe/Al2O3 при температурах 77-500 К.
Лазерное осаждение слоев Ge:Mn, Si:Mn и Si:Fe проводили на подогретые до 200-480°С монокристаллические пластины полуизолирующего арсе-нида галлия или сапфира. Технология напыления и процедуры рентгеновских измерений, измерений электропроводности, эффекта Холла, МОЭК, ФМР были те же, что и в [2-5].
В измерениях МОЭК при комнатной температуре ферромагнетизм слоев Ge:Mn/GaAs, Si:Mn/GaAs выражается в нелинейной зависимости угла поворота плоскости поляризации света. В гальваномагнитных измерениях характерный для ферромагнетиков АЭХ при 77 К проявляется в Ge:Mn, Si:Mn и Si:Fe в виде нелинейной и гистерезисной зависимости постоянной Холла Ян от индукции магнитного поля В. При комнатной температуре зависимости Ян(В) были симметричными и безгистерезисными. Ярко выраженный АЭХ наблюдался для слоев РМП Ge:Mn на подложке GaAs с рентгеноспек-тральным содержанием марганца ЫМп = 13 ат. % и Si:Mn с Л^Мп = 15 ат. %. Свидетельство высокой электрической активности 3 ^-примесей с концентрацией привносимых в валентную зону дырок, сравнимой с концентрацией 3 ^-примеси, было приведено в [3-5]. Попытки детально изучить температурное изменение ФМР в слоях InAs:Mn ничего нового, по сравнению с [4], не дали. Слишком широкой была линия поглощения СВЧ-мощности уже при 77 К. Подробные измерения ФМР при пониженных температурах 77-293 К подтвердили общее немонотонное изменение намагниченности с максимумом Тт при 270 и 390 К соответственно
1621
1622
ДЕМИДОВ и др.
GaSb:Mn/GaAs
493 480 453 431 392 357 326 302 293 275 256 217 108
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 B, Тл
Ge:Mn/GaAs
423 394 361
330 303 296 275
256 217 108
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6~0.7 B, Тл Si:Mn/GaAs
B, Тл
516 463 418 390 373 363 351 338 331 313
293 275
256 217 170
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 В, Тл
Рис. 1. Спектры ФМР образцов GaSb:Mn/GaAs, Si:Mn/GaAs и Ge:Mn/GaAs, ориентированных перпендикулярно магнитному полю, при различных температурах. Цифры у кривых справа показывают температуру в градусах Кельвина.
для слоев 1п8Ъ:Мп и GaSb:Mn. Иной характер температурного смещения спектров ФМР имеет место для ферромагнитных слоев на таких же подложках GaAs на основе германия и кремния. Для Ge:Mn и Si:Mn при повышении температуры, начиная с 77 К, наблюдали монотонное уменьшение магнитного момента. Оно проявилось на рис. 1 в монотонном сдвиге линий ФМР в сторону меньших полей с ростом температуры. В отличие от результатов [5] последующие более детальные измерения показали, что спектр ФМР пленок Si:Mn
Y, произв. ед.
1500 р 77 Si:Fe/Al2O3
1000 л
500 0
-500 -1000 -1500 -2000
Рис. 2. Спектры ФМР образцов слоев Si:Fe/Al2O3, ориентированных параллельно магнитному полю, при различных температурах. Цифры у кривых показывают температуру в градусах Кельвина.
имеет еще более сложную структуру. Как видно на рис. 2, спектр содержит больше двух пиков поглощения. Их положение и соотношение амплитуд меняется с температурой. Предположение [5] о возможном проявлении доменной структуры в слоях РМП нуждается в дальнейшем изучении.
Аналогичное Ge:Mn и Si:Mn монотонное изменение ФМР для слоев Si:Fe/Al2O3 показано на рис. 2. Из-за слишком большого магнитного момента слоев при перпендикулярной полю ориентации образцов пик поглощения ФМР сдвигался за пределы магнитного поля нашего спектрометра, ограниченные величиной 0.616 Тл, поэтому данные приведены для параллельной ориентации плоскости образца. При этом температурный сдвиг линии ФМР и спад ее интенсивности, как и в случае Ge:Mn и Si:Mn, свидетельствует об уменьшении намагниченности слоя РМП вследствие термического разрушения упорядочения спинов примесных ионов железа. Согласно данным, приведенным на рис. 2, температура Кюри РМП Si:Fe/Al2O3 около 250 К.
Высокая электрическая активность 3^-примеси во всех рассмотренных выше вариантах РМП позволяет полагать, что ферромагнетизм не связан с кластерами или включениями второй фазы. В случае Si:Mn это подтверждается и тем, что, как отмечено в [5], все силициды марганца не являются ферромагнетиками.
Работа поддержана программой "Университеты России" (грант UR01.01.174), грантом РФФИ № 05-02-17362, программой ОФН РАН "Спинза-висимые явления в твердых телах и спинтроника", грантом МНТЦ G-1335.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zutic I., Fabian J., Das Sarma S. // Rev. Mod. Phys. 2004. V. 76. P. 323.
2. Данилов Ю.Л., Демидов E.C., Дроздов Ю.Н. и др. // ФТП. 2005. Т. 39. < 1. С. 8.
3. Danilov Yu.A., Demidov E.S., Drozdov Yu.N. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V. 300. P. e24.
4. Danilov Yu.A., Demidov E.S., Drozdov Yu.N. et al. // Books of Abstracts of Moscow Int. Symp. on Magnetism. Moscow, 2005. P. 493.
5. Демидов E.C., Данилов ЮЛ, Подольский B.B. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2006. Т. 83. < 12. С. 664.
6. Демидов E.C. // ФТТ. 1992. Т. 34. С. 37.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 11 2007
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.