Экспериментальные результаты

Исследования структуры слоев методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (ВРПЭМ) показали, что слои InFeSb являются эпитаксиальными. На рис. 1 представлено ВРПЭМ изображение участка поперечного среза структуры InFeSb/GaAs, полученной при 250°С и с технологическим содержанием железа Y _Fe = 0.17. Слой InFeSb является монокристаллическим, включений второй фазы в виде металлического Fe или соединений FeSb не обнаружено. Определенное рассогласование кристаллических решеток слоя InFeSb и подложки GaAs Δ a / a в направлении роста составляет ≈ 14.9 %, что совпадает с величиной Δ a / a для монокристаллических InSb и GaAs. В то же время определенная величина Δ a / a в плоскости слоя InFeSb составляет ~ 10.9 %, следовательно, слой InFeSb сохраняет напряжения сжатия. Микродифракция от области InFeSb/GaAs, включающей подложку и эпитаксиальный слой, содержит рефлексы, соответствующие GaAs (с меньшей постоянной решетки) и InFeSb (вставка к рис. 1). Дополнительной сетки рефлексов, связанных с наличием второй кристаллической фазы, не выявлено. Исследования элементного состава структуры методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в процессе ПЭМ исследований показали равномерное распределение атомов Fe в слое. Исследования электронной дифракции на отражение показали, что слой InFeSb c Y _Fe = 0.13, полученный при 30°С, является поликристаллическим. Слои InFeSb с Y _Fe = 0.13, полученные при температурах 150, 200 и 250°С, являются монокристаллическими – электронограммы представляют собой сетку точечных рефлексов.

На рис. 2 представлены спектры отражения для слоев InFeSb, полученных при 30 (кривая 2), 200 (кривая 3) и 250°С (кривая 4). Спектр отражения для структуры InSb/GaAs, полученной при 250°С и не содержащей Fe, представлен кривой 1. Спектр отражения для структуры InSb/GaAs совпадает со спектром для монокристаллического InSb и содержит особенности, связанные с характерными межзонными переходами в пределах зоны Бриллюэна [5]. Наиболее выражены пики дублета вблизи E ₁ (1.85 и 2.36 eV) и интенсивный пик переходов E ₂ (4.13 eV). Для структур InFeSb/GaAs, полученных при 200 и 250°С, хорошо разрешаются пики дублета E ₁ и пик E ₂. Это подтверждает высокое кристаллическое качество слоев InFeSb и показывает сохранение зонной структуры InSb. Для слоя InFeSb, полученного при 30°С, пики дублета вблизи E ₁ не разрешаются, что является следствием поликристаллической структуры слоя.

Слой InSb, полученный при 250°С демонстрирует n – тип проводимости при 77 и 295 K. Для слоя InSb слоевая концентрация электронов проводимости и их подвижность при комнатной температуре составляли 1.2∙10¹² cm^-2 и 1200 cm²/V∙c, соответственно. Исследования магнитополевых зависимостей сопротивления Холла R _H(H) и слоевого сопротивления выявили, что слои InFeSb являются ферромагнитными до комнатной температуры. В слоях InFeSb наблюдается аномальный эффект Холла и отрицательное магнетосопротивление. На рис. 3 представлены зависимости сопротивления Холла от магнитного поля при 300 и 77 K для слоя InFeSb с Y _Fe = 0.17, полученного при 250°С (рис. 3 a), и слоя InFeSb с Y _Fe = 0.13, полученного при 30°С (рис. 3 b). Аномальный эффект Холла проявляется в виде ярко выраженной нелинейной зависимости R _H(H) с насыщением в магнитном поле ~ 1500 Oe. Для слоев InFeSb знак сопротивления Холла соответствует p – типу проводимости. Проявление аномального эффекта Холла не позволяет однозначно сделать вывод о типе проводимости материала. Известно, что в магнитном полупроводниковом слое может наблюдаться одновременное проявление аномального и нормального эффекта Холла различных знаков, в частности, в слоях InFeAs [2], GaMnSb [6]. Имеются данные как о донором, так и об акцепторном характере примеси Fe в матрице InSb [7]. Для выявления типа основных носителей в полученных слоях InFeSb необходимо проведение дополнительных исследований. Как нами было показано ранее, присутствие ферромагнитных включений второй фазы в полупроводниковой матрице может приводить к наблюдению нелинейных зависимостей R _H(H) не связанных с проявлением аномального эффекта Холла [8]. Поскольку в полученных слоях InFeSb не наблюдается включений второй фазы, можно заключить, что проявление аномального эффекта Холла и отрицательного магнетосопротивления свидетельствует о собственном ферромагнетизме полупроводниковой матрице и о наличии преимущественной спиновой поляризации у носителей заряда. На вставках к рис. 3 представлены зависимости магнетосопротивления при 300 и 77 K для случая ориентации магнитного поля перпендикулярно плоскости структур. Подобный вид зависимостей R _H(H) и магнетосопротивления наблюдался для слоев GaFeSb [3]. Обращает на себя внимание то, что в слое InFeSb, полученном при комнатной температуре, также наблюдаются спин–зависимые транспортные явления (рис. 3 b).

Заключение

Таким образом, методом лазерного распыления в вакууме впервые получены слои ферромагнитного полупроводника InFeSb с температурой Кюри выше комнатной. Исследования структуры InFeSb методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии и микродифракции показали отсутствие включений второй фазы со структурой, отличной от структуры матрицы InSb. Ферромагнитные свойства слоев проявляются в особенностях транспорта носителей заряда, что открывает возможность использования полученных полупроводниковых слоев для создания приборов, использующих спин-зависимые эффекты.

Список литературы:

[1] M. Tanaka, S. Ohya, P. N. Hai. Appl. Phys. Rev. 1, 011102 (2014).

[2] А.В. Кудрин, Ю.А. Данилов, В.П. Лесников, Е.А. Питиримова. ПЖТФ 42, 63 (2016).

[3] N.T. Tu, P.N. Hai, L.D. Anh, M. Tanaka. Appl. Phys. Lett. 108, 192401 (2016).

[4] L.D. Anh, D. Kaneko, P.N. Hai, M. Tanaka. Appl. Phys. Lett. 107, 232405 (2015).

[5] R.R.L. Zucca, Y.R. Shen. Physical Review B 1, 2668 (1970).

[6] X. Chen, M. Na, M. Cheon, S. Wang, H. Luo, B.D. McCombe, X. Liu, Y. Sasaki, T. Wojtowicz, J.K. Furdyna, S.J. Potashnik, P. Schiffer. J. Appl. Phys 103, 043701 (2008).

[7] Э.М. Омельяновский, В.И. Фистуль. Примеси переходных металлов в полупроводниках. Металлургия, М. (1983). С. 159.

[8] A.V. Kudrin, A.V. Shvetsov, Yu.A. Danilov, A.A. Timopheev, D.A. Pavlov, A.I. Bobrov, N.V. Malekhonova, N.A. Sobole. Phys. Rev. B. 90, 024415 (2014).

Подписи к рисункам:

Рис.1. ВРПЭМ изображение структуры InFeSb/GaAs. На вставке представлена дифракционная картина от интерфейса InFeSb/GaAs.

Рис.2. Спектры отражения для структуры InSb/GaAs (кривая 1), структур InFeSb/GaAs, полученных при 30 (кривая 2), 200 (кривая 3) и 250°С (кривая 4).

Рис.3. Магнитополевые зависимости сопротивления Холла для слоев InFeSb, полученных при 250 (a) и 30°С (b). На вставке представлены кривые магнетосопротивления.

Рисунок 1. Кудрин А.В. и др. «Однофазные эпитаксиальные слои InFeSb с температурой Кюри выше комнатной»

Рисунок 2. Кудрин А.В. и др. «Однофазные эпитаксиальные слои InFeSb с температурой Кюри выше комнатной»

Рисунок 3. Кудрин А.В. и др. «Однофазные эпитаксиальные слои InFeSb с температурой Кюри выше комнатной»

Сведения об авторах:

Кудрин Алексей Владимирович

старший научный сотрудник НИФТИ ННГУ, паспорт 22 03 № 791154, выдан УВД Советского р-на, г. Н.Новгорода 07.10.2003 г.

Адрес соавтора для переписки: 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.3

Телефон: 8 930-715-31-54

e-mail: kudrin@nifti.ru

Данилов Юрий Александрович

ведущий научный сотрудник НИФТИ ННГУ, паспорт серии 22 02 номер 550647, выдан УВД Советского р-на г. Н. Новгорода 30.06.2002 г.

Адрес автора для переписки: 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.3

Телефон: 8 920-017-71-41

e-mail: danilov@nifti.unn.ru

Лесников Валерий Павлович

научный сотрудник НИФТИ ННГУ, паспорт серии 22 03 номер 431544, выдан УВД Нижегородского-на, г. Н. Новгорода 30.05.2003 г.

Адрес автора для переписки: 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.3

Телефон: 8 905-012-18-29

e-mail: lesnikov@nifti.unn.ru

Вихрова Ольга Викторовна

ведущий научный сотрудник НИФТИ ННГУ, паспорт 22 09 № 504289 выдан отделом УФМС России по Нижегород. обл. в Советском р-не г. Н.Новгорода 22.01.2010 г.

Адрес соавтора для переписки: 603950 Нижний Новгород, пр.Гагарина 23 корп.3

Телефон: 8 910-883-06-33

e-mail: vikhrova@nifti.unn.ru

Питиримова Елена Алексеевна

ведущий электроник физ. фак-та ННГУ, паспорт серии 22 02 номер 964936, выдан УВД Приокского р-на г. Н.Новгорода 13.02.2003 г.

Адрес автора для переписки: 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.3

Телефон: 8 910-399-17-24

Павлов Дмитрий Алексеевич

заведующий кафедрой физ. фак-та ННГУ, паспорт серии 22 05 номер 627826 выдан УВД Нижегородского р-на г. Н. Новгорода 02.11.2005 г.

Адрес автора для переписки: 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.3

Телефон: 8 905-667-22-18

Усов,

Антонов

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: