Исследование взаимодействий примесных центров в 6S5/2-состоянии в арсениде галлия Марков, Сергей Иванович

Введение к работе

Актуальность темы.

Полупроводники, легированные элементами с незаполненной внутренней (3d, 4f и т.д.) обладают рядом интересных оптических и магнитных свойств, приближающих их к обычным оптически активным и магнитоупорядоченным материалам. В то же время присутствие "свободных" носителей заряда в таких полупроводниках создает уникальные возможности по управлению оптическими и магнитными свойствами с помощью "электронной" подсистемы, а также управлению оптическими свойствами с помощью магнитной подсистемы. Широко известными представителями последнего класса материалов являются соединения II - VI, легированные переходными элементами группы железа (в частности, марганцем). Эти исследования, начатые В.И. Ивановым-Омским с сотрудниками, СИ. Рябченко с сотрудниками, Галонски, были продолжены во многих лабораториях мира, и в настоящее время, можно считать, их свойства и природа магнитооптических явлений в них достаточно хорошо изучены.

По-другому сложилась ситуация в исследовании примесного магнетизма в соединениях III - V, легированных переходными элементами группы железа. Эти исследования были начаты еще в 1973 году Д.Н. Наследовым с сотрудниками. Основная особенность этих материалов заключается в значительных технологических трудностях получения высоколегированных (>10²⁰ см"³) переходными элементами соединений Ш-У, в частности, арсенида галлия, являющегося одним из основных материалов микро- и оптоэлектроники. Именно поэтому, по-видимому, изучение природы примесного магнетизма в А³В⁵ далеки от завершения. В то же время, сейчас очевидно, что природа этого явления в А²В⁶ и А³В⁵ материалах различна. Кроме того, примеси переходных элементов в А³В⁵ склонны к комплексообразованию, что само по себе представляет несомненный научный интерес, т.к. примесные кластеры обладающие "гигантскими" магнитными моментами, могут придавать материалу совершенно уникальные свойства. В связи с этим исследования природы магнитных взаимодействий Зс/-примесей между собой и с носителями заряда в полупроводниках с нашей точки зрения актуальны.

Целью настоящей работы является исследование магнитных состояний примесей железа и марганца и их взаимодействий с основной решеткой и между собой.

Поскольку центры марганца и железа в А³В⁵ имеют отличный от нуля полный спин, естественно что в качестве основного метода исследования выбран метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Научная новизна

1. Обнаружен спектр ЭПР антиферромагнитно связанных пар центров железа в
GaAs. Ось связи пары направлена вдоль кристаллографического направления
<112>; расстояние между центрами в паре приблизительно 14А; величина
обменного интеграла 3*20 К.

2. Обнаружены в спектре ЭПР центров Fe (⁶S₅/2) запрещенные переходы

(AM = 2, ДМ = 3), обусловленные диполь-дипольным взаимодействием этих

о центров, находящихся на расстоянии а = (5±1) А.

3.Обнаружены кластеры с повышенной концентрацией железа (пи 10"²¹см³). Наличие таких кластеров позволяет объяснить появление и поведение линии ЭПР, параметры которой зависят от температуры, и аномальное температурное поведение полной интенсивности спектра ЭПР центров Fe (⁶S₅/2).

1. Исследовано взаимодействие нейтрального центра Mn(3d⁵ + h) с однократно ионизованным центром (3d⁵). При этом спектр ЭПР наблюдается вплоть до температур порядка 100 К. Последнее обстоятельство использовано для изучения изменения состояний нейтрального центра Мп при изменении температуры. Константа электродипольного взаимодействия Мп - Мл' равна 0,15 см"¹.

2. Исследования ЭПР нейтрального центра Mn (3^+ h) и взаимодействующих центров Мп и Мл" показывает, что Мп в основном состоянии является Ян-Теллеровским центром. Определена высота потенциального барьера между двумя минимумами потенциальной энергии: ДЕ =8,8 см"¹.

Практическая значимость

Полученные в работе результаты представляют ценность для развития физики полумагнитных полупроводников и могут быть использованы в соответствующих курсах по физике полупроводников и физике твердого тела.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Различный характер взаимодействия между центрами железа в сильнолегировашюм арсениде галлия (ферромагнитные пары; антиферромагнитные пары; магнитные кластеры) обусловлен процессами распада твердого раствора GaAsrFe и, как следствие, изменением электронных параметров полупроводниковой матрицы.

2. Аномальное температурное поведение интенсивности ЭПР центров Fe( ⁶S ) в сильнолегированном GaAs обусловлено существованием в этом материале магнитных кластеров с повышенным содержанием атомов железа.

3. Твердый раствор железа в GaAs является неравновесным и распадается с характерным временем около 3-х лет.

4. Нейтральный центр марганца Мп является Ян-Теллеровским, причем его состояние может модифицироваться в результате взаимодействия с центром Мп" в компенсированном материале.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на V Всесоюзной конференции по физико-химическим основам легирования полупроводников (Москва, 1982); XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев, 1988); Международной конференции по физике полупроводников, содержащих глубокие уровни (Ульяновск, 1997); International Workshop on HiTech Materials (St.Petersburg, 1997).

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 6-й печатных работах.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения и содержит..л.^<—.л., страниц машинописного текста, включая .Vs5 рисунков, 7.v.. таблиц и список литературы из .ЧМ... наименований.