CC BY
167
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СПИНТРОНИКА
УДК 621.315
СТРУКТУРЫ И ПРИБОРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СПИНТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ А3В5
© 2010 г. Ю.А. Данилов
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского [email protected]
Поступила в редакцию 26.05.2010
Сделан обзор работ в области спинтроники, проводимых в лаборатории эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ. Разработанный комбинированный метод МОС-гидридной эпитаксии и лазерного нанесения позволяет формировать структуры, включающие слои полупроводниковых соединений типа А3В5, которые демонстрируют также ферромагнитные свойства. Изложены особенности процессов изготовления спиновых светоизлучающих диодов и приведены их параметры.
Ключевые слова: полупроводниковые соединения А3В5, легирование марганцем, ионная имплантация, лазерное нанесение, спиновый светодиод.
Введение
Спинтроника как новая быстроразвивающая-ся область науки и технологии получила признание в 2007 году с присуждением Нобелевской премии по физике проф. А. Ферту (Франция) и П. Грюнбергу (Германия) за открытие эффекта гигантского магнетосопротивления. Основа функционирования приборов спинтроники - использование собственного момента количества движения электрона (спина) для кодирования, передачи и хранения информации. Современные исследования в области спинтроники включают разработку концепций и моделей приборов, отработку технологии изготовления специфических материалов, составляющих основу этих приборов, исследование свойств этих материалов и структур. Два направления спинтроники (металлическое и полупроводниковое) развивались практически параллельно в цепочке: эффекты -материалы и гетероструктуры - технология -приборы и устройства. Так, в 1988 году в периодических структурах (сверхрешетках) «ферромагнитный металл/нормальный металл» был открыт эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС). Сначала для формирования таких структур использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), и только потом после отработки метода магнетронного нанесения ГМС-структур были созданы промышленные приборы - сначала спиновый клапан и на его основе в 2000 году - считывающие головки для винчесте-
ров. Та же последовательность развития полупроводниковой спинтроники включает в себя: установление эффектов оптической ориентации (~ 1984 год) и Рашбы; изготовление (1992 год) первых ферромагнитных полупроводников типа (А3,Мп)В5 и затем квантово-размерных гетероструктур с магнитными слоями; изготовление спинового полевого транзистора, полупроводникового спинового клапана и спинового светоизлучающего прибора. В ближайшем будущем прогнозируется создание гибридных (ме-талл-полупроводниковых) структур спинтрони-ки с улучшенными функциональными возможностями.
Интерес к получению и исследованию материалов, которые, наряду с полупроводниковыми свойствами, обладали бы и свойствами ферромагнетика, возник у автора в конце 90-х годов; в результате в 2000 году была подана заявка на выполнение индивидуального проекта «Модифицирование магнитных свойств полупроводниковых структур с помощью ионной имплантации». Проект был одобрен Фондом поддержки науки штата Риу-Гранди-ду-Сул (Бразилия) и выполнялся в течение одного года в Институте физики Федерального университета штата Риу-Гранди-ду-Сул (г. Порту-Алегри). При его реализации использовалась ускорительная техника, установка быстрого термического отжига и аналитическое оборудование указанного Института физики. Работы по исследованию облученных ионами марганца полупроводников ваА8, 1пА8 и
GaSb были продолжены в Нижегородском университете начиная с октября 2001 года. Постепенно сформировалась группа энтузиастов нового направления физики и технологии полупроводников. В 2002 году сотрудники НИФТИ ННГУ В.В. Подольский и В.П. Лесников начали работы по синтезу полупроводников А3В5, сильнолегированных марганцем, методом лазерного нанесения в вакууме. Существенный прорыв в технологии был достигнут, когда вед.н.с. НИФ-ТИ ННГУ Б.Н. Звонков в том же году получил в реакторе МОС-гидридной эпитаксии слои GaAs:Mn (с использованием лазерного распыления в потоке водорода и арсина). При этом появилась реальная возможность комбинировать квантово-размерные структуры (структуры с квантовыми ямами и квантовыми точками) со слоями магнитного полупроводника.
Совершенствовались методы исследования магнитных полупроводников и структур. Существенная заслуга принадлежит здесь проф. Е.С. Демидову, который, в частности, привлек метод ферромагнитного резонанса к исследованию слоев магнитных полупроводников нано-метровой толщины. В исследованиях материалов спинтроники тесное взаимодействие установлено с сотрудниками академических организаций: Института физики микроструктур (д.ф.-м.н. Дроздовым Ю.Н., к.ф.м.н. Сапожниковым М.В., Ноздриным Ю.Н., Дроздовым М.Н., Мурелем А.В.), Института химии высокочистых веществ (к.х.н. Сучковым А.И.), Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники (д.ф.-м.н. Голиком Л.Л., к.ф.-м.н. Куньковой З.Э.), а также с сотрудниками кафедры магнетизма МГУ им. Ломоносова (д.ф.-м.н. Ганьшиной Е.А., Перовым Н.С.). Соавторами ряда наших публикаций являются сотрудники зарубежных университетов S. Nicolodi, M. Behar, L.G. Pereira, J.E. Schmidt (Институт физики Федерального университета штата Риу-Гранди-ду-Сул, г. Порту-Алегри, Бразилия), F.Iikawa, M.J.S.P. Brasil (Университет г. Кампинас, Бразилия), М.И. Василевский, C. Moura (Университет Миньо, г. Брага, Португалия), Н.А. Соболев (Университет г. Авейро, Португалия).
Результатом интенсивной работы коллектива лаборатории стали многочисленные публикации по тематике исследований материалов и структур спиновой полупроводниковой электроники. Первая диссертационная работа по указанному направлению была успешно защищена в 2007 году М.В. Дорохиным (его работа была посвящена исследованию структур спинового светоизлучающего диода). В 2009 году А.В. Кудрин защитил диссертационную работу
по исследованию гальваномагнитных свойств магнитных полупроводников и полуметалличе-ских соединений.
Ниже изложены основные результаты исследований, проведенных сотрудниками лаборатории эпитаксиальной технологии в 2001-2010 гг. в области спинтроники.
Ионно-имплантационное легирование СаАБ марганцем
Начиная с середины 90-х годов ХХ века стало ясно, что при выращивании методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) слоев ваА8, легированных марганцем до концентрации несколько атомных процентов, полупроводник приобретает ферромагнитные свойства. При этом атомы Мп выполняют двоякую роль: они являются акцепторами, встраиваясь в узлы галлиевой под-решетки, и имеют нескомпенсированный магнитный момент из-за наполовину заполненной Зя?-оболочки. Согласно наиболее распространенной модели Рудермана-Киттеля-Касуйи-Иосиды, обменное ферромагнитное взаимодействие между атомами Мп в ваА8 устанавливается посредством свободных дырок. Температура Кюри (7с) слоев ваМпА обычно не превышает 110 К. Возник интерес к исследованию возможности использования для легирования ваА8 марганцем ионной имплантации, которая, несомненно, является более дешевым и производительным методом, чем МЛЭ.
Первые результаты наших исследований в этом направлении были доложены на VI Всероссийском семинаре «Физические и физикохимические основы ионной имплантации» (Нижний Новгород, 2002 г.) [1]. Имплантация ионов Мп+ производилась непосредственно в полуизолирующий ваА8 при комнатной температуре мишени с энергией 50-200 кэВ. Доза ионов варьировалась от 1013 до 51016 см-2. Для восстановления кристаллической структуры ваА8, нарушенной в результате ионной имплантации, применялся быстрый термический отжиг (с длительностью 10-30 с). После отжига при температурах (Та) выше 600°С легированные марганцем слои демонстрировали р-тип проводимости. Слоевая концентрация дырок, однако, быстро насыщалась при увеличении дозы ионов Мп+ и не превышала 1014 см-2. При этом холловская подвижность дырок составляла ~ 230 см2/В с (температура измерений, Тт, - комнатная) [2]. Обнадеживающие результаты показали измерения магнитооптического эффекта Керра [3]: сигнал описывал петлю гистерезиса на зависимости его от внешнего магнитного поля при
Тт = 300 К. Такой сигнал ферромагнитного типа появлялся лишь для высоких доз имплантации (> 1015 см-2) и для достаточно узкого диапазона температур отжига (715-750°С). Максимальный сигнал эффекта Керра наблюдался для следующих технологических условий: доза имплантации ионов Мп+ равна (3-5)1016 см-2, температура отжига 725°С в течение 10 с. Однако эффект Холла был нормальным при комнатной температуре измерений, а небольшая аномалия (с петлей гистерезиса) появлялась лишь при Тт = 10 К.
Дальнейшие исследования [4] позволили понять механизм явлений, происходящих при высокотемпературном отжиге слоев ваА8, облученных большими дозами ионов Мп+. Электронномикроскопические исследования поперечного среза имплантированных и отожженных при 750°С образцов показали присутствие кластеров двух типов: находящихся вблизи поверхности типа ваМп и захороненных на глубине, которая зависит от энергии имплантации, кластеров типа МпА диаметром ~ 50 нм. Состав кластеров достаточно надежно установлен как методом локального энергодисперсионного анализа электронным пучком, так и с помощью дифракции рентгеновского излучения в синхротроне. Причем было обнаружено интересное явление: при изменении температуры измерений фиксируется фазовый переход от а-МпА к Р-МпА8. В отличие от массивных пленок МпАз, где фазовый переход от ферромагнитной к парамагнитной фазе резкий (при Т ~ 315 К), в Мп-имплантированном ваА8 фазовый переход затянут до ~ 330 К вследствие влияния матрицы, окружающей кластеры. На зависимости «параметр решетки - температура измерений» обнаружен гистерезис.
С этими наблюдениями коррелировали наши исследования [2, 3] морфологии поверхности методом атомно-силовой микроскопии: при температурах отжига Та > 700°С на поверхности ваА8, облученного ионами Мп+, обнаруживаются кластеры, к тому же проявляющие магнитный контраст. Также было исследовано распределение атомов имплантированного Мп методом вторичной ионной масс-спектроскопии [2]. Отжиг при Та > 700°С приводит к значительному отклонению профиля распределения от расчетного, что связано как с увеличенной диффузией вглубь ваА8, так и с накоплением атомов Мп вблизи поверхности.
Таким образом, из-за серьезных нарушений кристаллической структуры ваА8 при имплантации больших доз тяжелых ионов Мп+ (вплоть до образования сплошного аморфного слоя) необходим отжиг при достаточно высокой температуре. Однако из-за низкой равновесной рас-
творимости Мп в ваА8 (~ 81019 см-3) в процессе нагрева происходит выход атомов Мп из твердого раствора с образованием преципитатов. Этому кластерообразованию способствует и повышение коэффициента диффузии Мп в ваА8 при высокой температуре. При этом Мп образует устойчивое соединение МпА8. Небольшая концентрация Мп остается в твердом растворе (акцепторное состояние). Появление эффекта Керра ферромагнитного типа обусловлено этими кластерами МпА8, имеющими Тс выше комнатной. Следовательно, такой стандартный имплантацион-ный подход (имплантация больших доз ионов Мп+ с последующим высокотемпературным отжигом) не позволяет сформировать однородные слои ферромагнитного полупроводника.
Формирование слоев
ферромагнитных полупроводников
3 5
(А ,Мп)В методом лазерного нанесения
Относительно неудачные попытки создания однородных ферромагнитных полупроводников методом ионной имплантации и дороговизна и недоступность оборудования МЛЭ (для легирования марганцем необходима специализированная установка МЛЭ, предназначенная только для этой операции) обусловили поиск альтернативной технологии их получения. Далее излагаются результаты, полученные нами при использовании методики лазерного нанесения. Эта методика в ее вакуумном варианте начала разрабатываться в 80-х годах ХХ века для нанесения полупроводниковых, металлических слоев и материалов высокотемпературной сверхпроводимости (ИПФ АН СССР, С.В. Гапонов с соавторами).
Первые эксперименты, выполненные в вакууме, показали применимость этой методики на примере слоев ваМпБЬ [5]. Слои ваМпБЬ, нанесенные при температурах 200-440°С, являлись мозаичными монокристаллами. Легированные Мп до концентрации ~ 4 ат.% слои имели концентрацию носителей выше 1019 см-3. Слои, выращенные при температурах 200-300°С, обладали ферромагнитными свойствами вплоть до комнатной температуры, а эффект Холла носил аномальный характер [6]. Однако шероховатость получающихся слоев была относительно высока, что обусловлено поступлением на растущую поверхность вместе с потоком атомарных частиц больших по размерам кластеров, образующихся при испарении мишеней Мп и ваБЬ.
Мы использовали разработанный в лаборатории метод лазерного распыления в газовой среде. Излучение импульсного АИГ:М-лазера прохо-
дило через систему ослабления интенсивности, систему сканирования по площади и вводилось через кварцевую стенку в реактор МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ). Излучение попадало на твердотельную мишень (из металлического Мп или на полупроводниковую пластину), расположенную на расстоянии 4-5 см от вращающейся нагретой подложки. В процессе проведения исследований оказалось, что при атмосферном давлении (в потоке водорода) до подложки доходит только незначительная часть испаряемого вещества. Было обнаружено, что при давлении водорода в реакторе 25-50 Торр скорость нанесения приближается к скорости нанесения в вакууме. При этом поток водорода через реактор сохранялся достаточно высоким, что обеспечивало необходимую чистоту атмосферы в реакторе. Присутствие газовой атмосферы позволило исключить попадание на поверхность растущего слоя кластеров и ускоренных ионов, в отличие от лазерного распыления в вакууме. Кроме того, проведение процесса в МОСГЭ-реакторе позволяет при росте арсенидов или фосфидов вводить в газовый поток арсин или фосфин, который, разлагаясь в лазерной плазме, поставляет к поверхности роста элементы V группы, компенсирующие потери их при испарении.
Первые результаты применения этой методики к получению слоев ваМпА^ были доложены на конференции в Саранске [7]. Было установлено, что слои ваМпА^, сформированные в диапазоне температур выращивания Тг = 300-650°С, обладают полупроводниковыми свойствами (проводимостью р-типа), что показали температурные исследования удельного сопротивления и эффекта Холла. В слоях ваМпА^ наблюдался аномальный эффект Холла при температурах ниже 60 К. Это позволило заключить, что ферромагнитные свойства структур, связанные со спиновой поляризацией носителей, могут быть качественно объяснены в рамках теории ферромагнетизма в магнитных полупроводниках, вызванного обменным взаимодействием между носителями и магнитными моментами атомов марганца.
Исследования [8] магнитооптического эффекта Керра (МОЭК) в меридиональной геометрии (поле лежит в плоскости образца), выполненные при комнатной температуре, показали наличие петли гистерезиса на зависимости угла поворота плоскости поляризации лазерного излучения (X = 632 нм) от величины внешнего магнитного поля. Величина коэрцитивного поля Нс зависела как от содержания Мп, так и от температуры нанесения слоев. В частности, для структуры со
слоем ваМпА8, выращенным при Тг = 400°С, значение Нс составляло 390-480 Э. Было высказано предположение, что в процессе выращивания слоя в ваА8-матрице, легированной Мп, образуются также кластеры МпА8. В ходе измерений МОЭК была обнаружена сильная анизотропия гистерезисных кривых в плоскости образца при переходе от направления магнитного поля вдоль оси [1 1 0] к [110]. Это согласуется с предположением о формировании в полупроводниковой матрице ферромагнитных кластеров МпА8, которые имеют гексагональную структуру и ось легкого намагничивания [2 1 1 0], параллельную оси [110] ваА8.
Было обнаружено, что отжиг одиночным импульсом рубинового лазера (А = 0.68 мкм, длительность 25 нс, плотность мощности ~ 1107 Вт/см2) приводил к существенному изменению транспортных свойств слоев: поверхностное сопротивление уменьшалось, а образцы при сохранении р-типа проводимости показывали аномальный эффект Холла как при 77 К, так и при комнатной температуре измерений. Возможный механизм наносекундного импульсного лазерного воздействия на свойства ваМпА8-слоев может быть связан с встраиванием в подрешетку галлия атомов Мп, находившихся в нерегулярных положениях. Вероятно, до отжига значительная часть атомов Мп находилась в междоузлиях, создавая донорные состояния, компенсирующие дырочную проводимость.
Присутствие в полученных ваМпА8-слоях ферромагнетизма, обнаруженного посредством МОЭК, и наблюдение аномального эффекта Холла при комнатной температуре только после лазерного отжига дало возможность предположить, что этот материал содержит, по крайней мере, две взаимодействующие фазы. Такая ферромагнитная система может представлять собой кластеры состава МпА8 (материала с температурой Кюри выше комнатной), встроенные в твердый раствор ваМпА8 (полупроводника, который может быть ферромагнетиком с ТС, зависящей от концентрации Мп).
Были получены слои 1пМпА8 на подложках ваА8. Показано [10, 11], что сформированные слои 1пМпА8 имеют монокристаллическую структуру и обладают свойствами полупроводника р-типа. Температура осаждения пленок 1пМпА8 существенно влияет на их слоевое сопротивление: только в достаточно узком диапазоне температур Тг = 280-330°С сопротивление 1пМпА8-слоев достигает минимальных значений ~ 104 Ом/кв. Важной особенностью слоев 1пМпА8, выращенных при Тг ~ 280-330°С, явля-
ется наблюдение аномального эффекта Холла при 77 К и комнатной температуре измерений. Петля гистерезиса однозначно свидетельствует о ферромагнетизме этих слоев. Коэрцитивное поле составило 310 Э при 300 К. Наличие ферромагнитных свойств слоев 1пМпАз, нанесенных при указанных технологических условиях, было подтверждено результатами исследований МОЭК. Кристаллическое совершенство и фазовый состав слоев 1пМпАз исследовались методом рентгеновской дифракции. Было установлено, что слои 1пМпАз имеют структуру мозаичного монокристалла с включениями фазы МпАз. Эксперименты по изучению ферромагнитного резонанса (ФМР) в 1пМпАз выявили наличие двух ферромагнитных фаз. Отклик от одной из них исчезал в интервале 313-332 К (по-видимому, от фазы МпА), а далее вплоть до 475 К наблюдался сигнал ФМР только другой, пока неидентифици-рованной, ферромагнитной фазы. Возможно, второй ФМ-фазой является именно сильнолегированная матрица 1пМпАз.
Аномальный эффект Холла с петлей гистерезиса при комнатной температуре в слоях 1пМпАз обнаружен впервые. Это явление качественно объяснено взаимодействием спин-поляризованных носителей с магнитными моментами содержащихся в полупроводниковой матрице ферромагнитных включений МпАз.
Следовательно, методика лазерного нанесения в газовой фазе позволяет формировать слои ваМпАз и 1пМпАз, которые наряду с полупроводниковыми свойствами обнаруживают также ферромагнитное поведение.
Метод реактивного лазерного нанесения
Интерес к ферромагнитным полуметалличе-ским соединениям МпАз и МпР связан с тем, что эти материалы обладают достаточно высокой для их практического применения температурой Кюри (~ 315 и ~ 291 К для объемных кристаллов МпАз и МпР, соответственно), технологически совместимы с полупроводниковыми слоями и могут быть использованы в качестве источников спин-поляризованных носителей для их инжекции в полупроводники.
О свойствах слоев МпАз и МпР, нанесенных на подложку ваАз оригинальным методом лазерного распыления марганца в потоке гидридов, мы сообщили в [12, 13]. Для выращивания этих материалов в реакторе МОСГЭ производилось лазерное распыление металлического Мп, а к потоку водорода добавлялся арсин или фосфин.
В ходе рентгеноструктурных исследований [14] было обнаружено, что полученные методом
реактивного лазерного нанесения слои МпАз имеют мозаичную монокристаллическую структуру и содержат ферромагнитную гексагональную а-МпАз-фазу. Магнитополевые зависимости МОЭК демонстрируют ферромагнитные свойства слоев МпАз и позволяют получить информацию об ориентации оси легкого намагничивания вдоль направления [110] ваАз. Температурная зависимость слоевого сопротивления образца МпАз, полученного при температурах 300-400°С, носит металлический характер. Все структуры имеют р-тип проводимости при 295 К и 77 К. Для всех структур при температуре 295 К наблюдается аномальный эффект Холла: зависимости сопротивления Холла от напряженности магнитного поля имеют нелинейный вид с петлей гистерезиса, что свидетельствует о ферромагнитных свойствах структур. Оценки значений концентрации носителей (ру = =9.5 1020 см-3) и их подвижности (цн = 7 см2/Вс) выполнены впервые для слоев МпАз.
Структура и электрические свойства слоев МпР в значительной степени зависели от температуры их выращивания [15]. Слои МпР, нанесенные на подложки ваАз, имели р-тип проводимости, так же как и слои МпАз. Концентрация свободных носителей, определенная при 295 К, составляла 11021 см-3 для Т„ = 300°С и
20 -3
уменьшалась до 310 см с увеличением температуры выращивания до Тг = 450°С. Эффект Холла слоев, выращенных при 400 и 450°С, являлся аномальным с петлей гистерезиса в диапазоне температур от 10 К вплоть до температуры 295 К. Увеличение температуры выращивания слоев МпР от 300 до 450°С приводило к увеличению значения коэрцитивного поля Нс от 135 Э до 1050 Э. Исследования гальваномаг-нитных свойств МпР на подложках ваАз были проведены впервые.
Отмечено также, что в слоях МпАз и МпР наблюдается эффект отрицательного магнето-сопротивления гистерезисного характера и эффект анизотропного магнетосопротивления.
Можно утверждать, что метод лазерного распыления металлической мишени марганца в потоке водорода и гидридов (арсина или фос-фина) позволяет получать слои МпАз и МпР, обладающие ферромагнитными свойствами вплоть до комнатных температур.
Спиновые светоизлучающие структуры
В этих приборах спин-поляризованные электроны (или дырки) инжектируются в активную область, где они рекомбинируют с неполяризо-ванными дырками (или электронами) с эмисси-
ей преимущественно право- или лево-циркулярно-поляризованного света. Прямая связь между спиновой и оптической поляризациями делает источники со спиновой поляризацией исключительно подходящими для ряда применений в криптографии, перестраиваемых оптических межсоединениях и в перспективных оптических переключателях и модуляторах. Основными элементами спинового светоизлучающего диода (ССИД) обычно являются:
(а) ферромагнитный инжектор, который осуществляет поляризацию спинов носителей тока;
(б) спейсерный слой, где спин-поляризованные носители перемещаются из ферромагнитного инжектора; (в) активная область прибора, которая типично состоит из одного или нескольких слоев квантовых ям (КЯ) или квантовых точек (КТ), где в течение среднего времени жизни спин-поляризованные носители рекомбинируют излучательно с неполяризованными носителями.
Первым разработанным в нашей лаборатории вариантом ССИД стал прибор [16] на подложке и-ваАз с нелегированной напряженной 1пхОа1-хА8/ОаА8 квантовой ямой (КЯ) в качестве активного слоя. Инжекция спин-поляризованных дырок осуществлялась при этом с помощью прямосмещенного барьера Шоттки «ферромагнитный металл/нелегированный спейсер ваАз». В качестве спинового поляризатора дырок использовался слой термически напыленного Со (или N1). В [16] показано, что линия электролюминесценции (ЭЛ), соответствующая рекомбинации спин-поляризованных дырок и неполяри-зованных электронов в квантовой яме, при приложении магнитного поля Н перпендикулярно поверхности (геометрия Фарадея) становится циркулярно-поляризованной. Степень поляризации является функцией величины Н (достигает 40% в больших полях) и зависит от параметров структуры, в первую очередь от толщины спей-серного слоя.
Подобная конструкция позволяет без проблем выводить излучение через слабопогло-щающую на этих длинах волн подложку. Однако анизотропия формы обусловливает слишком высокие значения напряженности магнитного поля в этой геометрии для достижения заметных величин степени циркулярной поляризации излучения. Тем не менее были установлены следующие важные особенности ССИД, которые повлияли на наши дальнейшие исследования в этом направлении.
Во-первых, граница раздела «ферромагнитный металл/ваАз» содержит так называемый магнито-мертвый слой, наличие которого приводит к существенному снижению коэффициента
инжекции спин-поляризованных носителей (т.е. к спиновой релаксации на границе раздела). Нанесение трехслойной металлической композиции типа Аи/Со/Аи позволило в значительной степени минимизировать этот эффект. При этом верхний слой Аи служил для предотвращения окисления Со при хранении прибора на воздухе.
Во-вторых, экспериментально показано, что, вопреки устоявшемуся мнению о невозможности построения конструкций ССИД с инжекци-ей спин-поляризованных дырок из-за сильной спиновой релаксации последних, длина спиновой релаксации дырок в нелегированном ваАз, выращенном эпитаксиально с использованием МОС-гидридной технологии, составляет ~ 80 нм. Это значение вполне позволяет реализовать вариант инжекции спин-поляризованных дырок и использования подложки (базы диода) и-типа.
Второй вариант ССИД, который мы разработали, предусматривал инжекцию дырок с помощью прямосмещенного барьера Шоттки Аи/ваАз. Особенностью этой конструкции было то, что вблизи КЯ на расстоянии спейсерного слоя располагался дельта<Мп>-легированный слой. Почему именно дельта-слой? Дело в том, что, как уже отмечалось выше, атомы марганца имеют высокий коэффициент диффузии в ваАз. Попадание же атомов Мп в КЯ крайне нежелательно из-за их высокой рекомбинационной активности, в результате чего интенсивность рекомбинационного излучения КЯ на длине волны, соответствующей энергетическому переходу между электронным уровнем размерного квантования е1 и уровнем тяжелых дырок кк1, значительно снижается. Кроме того, для Мп в ваАз характерно явление сегрегации в эпитаксиальных процессах, когда при высокой концентрации атомов Мп они выталкиваются растущим слоем к поверхности [17]. Для минимизации сегрегации и необходимо снижать количество Мп в ваАз-структуре и/или уменьшать температуру эпитаксии. В соответствии с этим предложена следующая схема процесса выращивания: сначала при высокой температуре (600-650°С) выращивается квантоворазмерная часть - буферный слой ваАз, КЯ 1пхОа1-хА8 и спейсер из нелегированного ваАз. Затем температура подложки снижается до 350-400°С и в том же самом реакторе наносится слой Мп толщиной (0Мп) до 0.2 монослоев (МС), который при той же температуре подложки закрывается слоем нелегированного ваАз толщиной 20-40 нм. Для выполнения низкотемпературных операций используется лазерное распыление мишеней металлического Мп и нелегированного ваАз, соответственно.
Указанные выше температуры выполнения заключительной стадии процесса формирования структуры (магнитной части) являются компромиссом между необходимостью снижения температуры выращивания (для минимизации диффузионного проникновения Мп в КЯ) и требованием получения покровного слоя ваАз с достаточно высоким кристаллическим качеством (для этого нужно повышать температуру подложки при лазерном нанесении).
Оказалось, что введение дельта<Мп>-легированного слоя при одинаковых токах накачки СИД увеличивает интенсивность электролюминесценции (ЭЛ) более чем на порядок по сравнению с аналогичным диодом без дельта-легирования. Эффект объяснялся модификацией зонной структуры при введении дельта-легированного слоя: появлением барьера для электронов между КЯ и поверхностью и снижением эффективной высоты потенциального барьера для неосновных носителей заряда.
В магнитном поле (геометрия Фарадея) излучение КЯ циркулярно поляризовано: интенсивность левополяризованной ЭЛ превышает интенсивность правополяризованной или наоборот в зависимости от направления магнитного поля. Степень циркулярной поляризации излучения (РС) определяется технологическими параметрами: содержанием Мп в дельта-слое и толщиной спейсера между КЯ и дельта<Мп>-легированным слоем. Лучшие результаты достигнуты для 0Мп ~ 0.15-0.2 МС и толщины спейсера 2-3 нм. Механизм спиновой ориентации исследовался нами в [18-20]. Совпадение значений РС в одних и тех же структурах для фотолюминесценции и ЭЛ и ряд других соображений и экспериментов (в частности, измерения гальваномагнитных свойств контрольных структур с одиночным дельта<Мп>-слоем на полуизолирующей подложке ваАз [21, 22]) позволили предположить, что спиновая ориентация дырок происходит внутри КЯ. Определяющую роль играет намагниченность дельта<Мп>-легированного слоя, ферромагнитное обменное взаимодействие в котором устанавливается, по-видимому, за счет формирования примесной зоны.
Конструкция ССИД второго типа защищена патентом РФ. Значения РС достигают величины 50% и составляют в умеренных полях (до 1 Тл) ~ 18-20%. Эти параметры находятся на уровне лучших мировых достижений для приборов этого класса.
Этот вариант ССИД, однако, обладает рядом ограничений, которые связаны, прежде всего, с низкой температурой Кюри дельта<Мп>-
легированного слоя (ТС ~ 30-35 К). Таким образом, при Т > 35 К остается только небольшая поляризация дырок в КЯ за счет зеемановского расщепления (менее 10% в полях 9 Тл).
Ограничения, свойственные ССИД первого и второго типов, стимулировали исследования, направленные на использование слоев ферромагнитных полупроводников (1пМпАз, ваМпА) и полуметаллических соединений (МпАз, МпР) достаточно большой толщины (~ 0.1 мкм) в качестве инжекторов ССИД. Ожидается при этом увеличение температуры Кюри до значений ~ 300 К, некоторое упрощение конструкции за счет исключения операции формирования барьера Шоттки (металлический слой, напыленный на инжектор, используется в качестве омического контакта без ожидаемых трудностей ввиду высокой концентрации дырок в вышеперечисленных материалах).
Нами начаты эксперименты по использованию вышеуказанных материалов в качестве инжектора ССИД [23].
Таким образом, на основе исследований, проведенных в лаборатории эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ, создано новое направление в области физики и технологии полупроводников: формирование ферромагнитных полупроводниковых структур и приборов, основанных на спиновых эффектах, с помощью комбинированной методики МОС-гидридной эпитаксии и лазерного нанесения. Методика позволяет выращивать квантоворазмерные области гетероструктур и магнитные слои в едином технологическом цикле. С помощью комплекса методов исследованы их свойства в широком диапазоне температуры измерений и напряженности магнитного поля. Аналогичные разработки в области технологии слоев и приборов спинтроники на базе полу-
35
проводников А3В5 в Российской Федерации отсутствуют.
Автор выражает глубокую благодарность всем коллегам и соавторам, которые внесли значительный вклад в развитие этого направления науки в Нижегородском университете, и в первую очередь Б.Н. Звонкову, В.В. Подольскому, Е.С. Демидову, В.П. Лесникову,
О.В. Вихровой, М.В. Дорохину, А.В. Кудрину, Ю.Н. Дроздову.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант 08-02-97038_р_Поволжъе), программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (РНП, проект 2.2.2.2.4297), СЯЬТ (проект ВР4М01).
Список литературы
1. Данилов Ю.А., Дроздов Ю.Н., Круглов А.В. и др. // VI Всерос. семинар. «Физические и физикохимические основы ионной имплантации». Нижний Новгород, 2002. С. 24-25.
2. Данилов Ю.А., Круглов А.В., Питиримова Е.А.
и др. // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2004. Т. 68, в. 1.
С. 65-67.
3. Данилов Ю.А., Круглов А.В., Behar M. и др. // Физика твердого тела. 2005. Т. 47, в. 9. С. 1567-1570.
4. Couto O.D.D., Jr., Brasil M.J.S.P., likawa F. et а1. // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86, n. 7. P. 071906.
5. Данилов Ю.А., Демидов Е.С., Дроздов Ю.Н. и др. // Нанофотоника. Материалы совещания. Нижний Новгород. 2004. С. 187-190.
6. Данилов Ю.А., Демидов Е.С., Дроздов Ю.Н. и др. // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39, в. 1. С. 8-12.
7. Васильева Ю.В., Звонков Б.Н., Данилов Ю.А., Дроздов Ю.Н. // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: Физические свойства и применение. Сборник трудов Второй межрегиональной научной школы для студентов и аспирантов. Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2003. С. 100.
8. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Звонков Б.Н. и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2006. В. 2. С. 12-17.
9. Danilov Yu.A., Lesnikov V.P., Nozdrin Yu.N. et al. // J. Magn. Magn. Materials. 2006. V. 300. P. e28-e31.
10. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Звонков Б.Н. и др. // Физика твердого тела. 2008. Т. 50, в. 1. С. 50-53.
11. Danilov Yu.A., Kudrin A.V., Vikhrova O.V., et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. P. 035006.
12. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дроздов Ю.Н. и др. // Нанофизика и наноэлектроника. XII Международный симпозиум. Нижний Новгород. 2008. Т. 2. С. 271-272.
13. Звонков Б.Н., Вихрова О.В., Данилов Ю.А. и др. // Новое в магнетизме и магнитных материалах. Сборник трудов XXI Международной конференции. М., 2009. С. 80-82.
14. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дроздов Ю.Н. и др. // Известия РАН. Серия Физическая. 2009. Т. 73, в. 1. С. 30-32.
15. Звонков Б.Н., Вихрова О.В., Данилов Ю.А. и др. // Изв. РАН. Сер. Физическая. 2010. Т. 74, в. 1. С. 23-25.
16. Дорохин М.В., Зайцев С.В., Кулаковский В. Д. и др. // Письма в Жур. технической физики. 2006. Т. 32, в. 24. С. 46-52.
17. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дроздов М.Н. и др. // Нанофизика и наноэлектроника. XIII Международный симпозиум. Нижний Новгород. 2009. Т. 2. С. 484-485.
18. Dorokhin M.V., Danilov Yu.A., Demina P.B. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 245110.
19. Zaitsev S.V., Kulakovskii V.D., Dorokhin M.V., et al. // Physica E. 2009. V. 41, n. 4. P. 652-654.
20. Зайцев С.В., Дорохин М.В., Бричкин А.С. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90, в. 10. С. 730-735.
21. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дорохин М.В. и др. // Письма в Журн. технической физики. 2009. Т. 35, в. 14. С. 8-17.
22. Кудрин А.В., Вихрова О.В., Данилов Ю.А. // Письма в Журн. технической физики. 2010. Т. 36,
в. 11. С. 46-53.
23. Прокофьева М.М., Дорохин М.В., Данилов Ю.А. и др. // Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44, в. 11. С. 1447-1450.
semiconductor spintronic structures and devices on the basis of А3В5 compounds
Yu.A. Danilov
A review is presented of research in the field of spintronics carried out in the Epitaxial Technology Laboratory at the Physico-Technical Research Institute of the Nizhni Novgorod State University. A technique has been developed which combines MOCVD epitaxy with pulsed laser deposition and allows the structures with A3B5 compounds, which also demonstrate ferromagnetic properties, to be formed. Fabrication process peculiarities of spin light-emitting diodes and their parameters are described.
Keywords: A3B5 compounds, Mn doping, ion implantation, laser deposition, spin light-emitting diode.
