Поляризация в ферромагнитных гетероструктурах

Распределение марганца в гетероструктуре. Метод поляризации горячей фотолюминесценции во внешнем магнитном поле. Возможные способы управления поляризацией гетероструктур. Зависимости циркулярной поляризации от магнитного поля в спектральной точке.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

Образцы и экспериментальная установка

Методика эксперимента

Результаты и обсуждения

Заключение

Список литературы

Введение

С момента открытия ферромагнетизма в АIIIBIV в 1996 [1] году эти материалы и гетероструктуры на их основе оказались привлекательными для исследований в связи с возможностью внедрения магнитных явлений в полупроводниковую электронику. Одним из самых перспективных материалов является GaAs легированный Mn ( (Ga,Mn)As ). Основной задачей исследований данных материалов является увеличение температуры Кюри, которая пока ограничивается 170° К в (Ga,Mn)As [2]. Считается, что это ограничение обусловлено сегрегацией Mn, которая наступает при концентрациях Mn более 7-8%. Ожидалось, что применение д (тонких) слоёв Mn, т.е. по сути, применение гетероструктуры Mn/GaAs должно было привести к увеличению температуры Кюри из-за локального увеличения концентрации Mn [3,4,5]. Кроме того в теоретической работе [6] было показано, что в структурах с д - слоями Mn следует ожидать увеличения обменного взаимодействия по сравнению с объемным GaMnAs с однородным распределением Mn в GaAs. Изменения толщины, разделяющего д слои Mn, слоёв GaAs должно было позволить изменять ферромагнитные свойства (температура Кюри и коэрцитивная сила), а так же управлять спиновой поляризацией носителей в слоях GaAs. В недавних работах [7,8] исследовалось влияние толщины д слоёв и расстояния между ними на температуру Кюри, величину намагниченности, и влияние её на транспорт носителей заряда. Однако, использованные в этих работах методики позволяли измерять только намагниченность или проводимость, а важная для применений в приборах спинтроники величина спиновой поляризации носителей заряда оставалась неизвестной. Поэтому наше исследование было нацелено на исследование спиновой поляризации носителей заряда и её зависимости от параметров гетероструктур. Как и в более ранних работах [3-5,7-8] эффект увеличения температуры Кюри нами не был обнаружен. Однако, была обнаружена сильная зависимость спиновой поляризации дырок и электронов от толщины слоёв GaAs разделяющих д слои Mn, а так же её зависимость от состояния остаточного Mn в слоях GaAs.

Как отмечалось выше, особый интерес для применения ферромагнитных АIIIBIV в спинтронных устройствах представляет эффект спиновой поляризации и спиновой релаксации носителей в ферромагнитных слоях. В нашей работе [9] поляризация носителей в ферромагнитных гетероструктурах Mn/GaAs измерялась методом горячей фотолюминесценции электронов (ГФЛ). Было показано что, увеличение толщины слоёв GaAs уменьшает как магнитные свойства ферромагнитных слоёв, так и поляризацию носителей заряда. Уменьшение поляризации носителей вызвано наведёнными механическими напряжениями в д слоях Mn слоями GaAs.

Образцы и экспериментальная установка

Гетероструктура Mn/GaAs была выращена на подложке GaAs(001) легированной кремнием методом молекулярно пучковой эпитаксии. После, был выращен буферный слой GaAs толщиной 450нм при высоких температурах (580-600°С), для меньшего влияния дефектов из подложки. Затем подложку охладили до температуры 250°С и вырастили 5нм буферного слоя низкотемпературного GaAs. Далее, была выращена сама гетероструктура Mn/GaAs, поочерёдно открывая и закрывая заслонки Mn и Ga в непрерывном потоке As4. В завершении был нанесён защитный слой низкотемпературного GaAs. В процессе роста была измерена интенсивность отражённого пучка быстрых электронов, как функция от времени. Для того, чтобы свойства быстрых электронов в большей степени зависели от реальной структуры образцов, измерения были произведены методом просвечивающей электронной микроскопии. Концентрация марганца экспериментально была получена методом эталонов вторичной ионной масс спектрометрией (ВИМС) с помощью образцов с известной концентрацией Mn. Обозначение образцов следующее: (А/Б), где А - толщина д-слоёв Mn, а Б - толщина разделяющих слоёв GaAs. Толщина д-слоёв Mn составляет 0,11нм т.к. это максимальная толщина слоя при котором сохраняется конструктивная целостность решётки GaAs. Толщина разделяющих слоёв GaAs изменялась от 2,5нм до 14,4нм, число периодов было постоянным (40) (См. Табл. 1). Свойства сверхрешёток (СР) удобно сравнивать с ферромагнитными образцами GaAs легированными Mn (в виде эпитаксиальных плёнок толщиной 1000 нм). Мы используем два таких образца: с концентрацией Mn ? 1017 см-3, обозначенный на рисунках как DLT, и с процентным содержанием Mn 4.3%, обозначенный на рисунках как FM1. Для сравнения также были исследованы образцы с более низкой концентрацией марганца, при которой не наблюдалось ферромагнитных свойств. Это объёмные образцы с концентрацией марганца 1018 см-3 (R1) (выращен методом Чохральского) и процентным содержанием 1% (PM).

Таблица 1. Исследованные образцы

Обозначение гетероструктуры	A, нм	B, нм
(0.11/2.5)	0.11	2.5
(0.11/3.6)	0.11	3.6
(0.11/5)	0.11	5
(0.11/7.2)	0.11	7.2
(0.11/14.4)	0.11	14.4

Идеальный профиль гетероструктуры представлен на Рис.1 (а), из-за диффузии часть марганца попадает в области арсенида галлия, поэтому реальный профиль распределения марганца (Рис. 1 (б, в)) отличается от идеального. В области д-слоя локализуется 80% всего марганца, остальные 20% диффундируют в соседние области левый и правый монослои. На рисунке 1 (б, в) схематично показаны профили распределения марганца при разных толщинах слоёв арсенида галлия. Примеси марганца в арсениде галлия при малой концентрации проявляют себя и как двойные доноры и как акцепторы, при дальнейшем увеличении концентрации акцепторная составляющая начинает преобладать над донорной.



Рис. 1 Профиль распределения марганца в гетероструктуре; а - идеальный профиль; б - реальный профиль с относительно большой толщиной слоя арсенида галлия; в - реальный профиль с относительно небольшой толщиной арсенида галлия.

На рисунке 2 изображена схема экспериментальной установки. Тонкими стрелками обозначен путь который проходит оптическое излучение. Тонкой штриховой стрелкой обозначается передача управляющего сигнала от блока управления спектрометром (11) к спектрометру (7). Толстой двухсторонней стрелкой обозначен обмен данными между компьютером (12) и блоком (11). Остальные, связывающие блоки линии передают электрические сигналы между блоками.

Рис. 2 Схема экспериментальной установки. 1 - лазер; 2 - четверть волновая поляризационная пластинка; 3, 6 - собирающие линзы; 4 - гелиевый криостат; 5 - кварцевый фотоупругий модулятор (ФУМ); 7 - спектрометр высокого разрешения; 8 - источник высокого напряжения; 9 -компаратор; 10 - фотоэлектронный умножитель; 11 - блок управления спектрометром; 12 - управляющий компьютер.

Излучение лазера 1, проходя через систему зеркал, не показанную на Рис. 2 для простоты, попадает на четвертьволновую пластинку 2, на выходе которой излучение имеет циркулярную поляризацию. Затем собирающая линза 3 фокусирует свет в точку на образце диаметром ? 100-150мкм. Образец расположен внутри камеры криостата 4 на держателе с печкой, что позволяет управлять его температурой. Высокая стабильность температуры печки поддерживается с помощью контроллера температуры. Есть два режима установки температуры: ручной и автоматический. Расположенный внутри криостата сверхпроводящий магнит позволяет создавать магнитные поля до 5 Т. Управление магнитным полем осуществляется через генератор пилообразного напряжения, который управляет током от источника тока. Полезный сигнал из образца попадает на анализатор поляризации, в качестве которого выступает кварцевый фотоупругий модулятор (ФУМ) 5. На него подаётся переменное напряжение от компаратора 9. В зависимости от знака переменного напряжения плоскость пропускания ФУМ изменяет фазу световой волны на ±р/2 относительно поляризатора 2, что приводит к пропусканию света с поляризацией у+ или у- в разных полупериодах ФУМ. Собирающая линза 6 фокусирует свет от образца на щель спектрометра 7. Далее спектрометр выделяет нужную длину волны, после чего выделенный сигнал усиливается в ФЭУ 10, который работает в режиме счёта фотонов. Усиленный сигнал поступает в компаратор 9, где он разделяется на два канала поляризации света в зависимости от напряжения на ФУМ. Также компаратор преобразует постоянное высокое напряжение с источника 8 в переменное. Данные с двух каналов регистрации поляризации поступают в блок управления спектрометром 11. Блок управления спектрометром сохраняет данные об интенсивности сигнала в двух каналах поляризации, получает управляющие сигналы о нужной длине волны излучения и времени накопления сигнала от компьютера 12, управляет спектрометром в соответствии с нужной длинной волны и передаёт данные об интенсивности в компьютер. На компьютере установлена программа, позволяющая снимать спектры и выводить на экран монитора данные об интенсивности двух каналов поляризации и велич...