Спиновые светоизлучающие диоды на основе гетероструктур InGaAs/GaAs, содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника Малышева Евгения Игоревна

Введение к работе

Актуальность темы

Одним из актуальных направлений развития современной оптоэлектроники и спинтроники является создание источников циркулярно-поляризованного излучения, позволяющее реализовать новые физические принципы передачи информации посредством использования дополнительной степени свободы – поляризации оптического излучения [1-3]. Это необходимо для увеличения пропускной способности существующих волоконно-оптических линий и линий дальней космической связи, а также для передачи дополнительной криптографической информации. Принцип работы источников циркулярно-поляризованного света (так называемых спиновых светоизлучающих диодов) имеет ряд преимуществ над классическим: возможность независимой передачи сигнала по одному и тому же каналу путём модуляции интенсивности и/или степени циркулярной поляризации; совместимость с существующими элементами оптоэлектроники (волноводами, источниками питания, приёмниками) при незначительной модернизации технологического процесса [1-3].

Основным элементом спинового светоизлучающего диода (ССИД) является ферромагнитный (ФМ) слой, обеспечивающий управление спиновой поляризацией носителей заряда в полупроводниковых структурах. Излучательная рекомбинация с участием спин-поляризованных носителей обусловливает циркулярно-поляризованную люминесценцию [3]. В большинстве существующих схем [2-5] структура спиновых светоизлучающих диодов совпадает с типовой структурой светоизлучающих диодов, отличия заключаются в типе контакта к полупроводниковым слоям излучающей структуры (который выполняется на основе ферромагнитного инжектора) и приповерхностной контактной области. Исключение составляют ССИД, в которых поляризация носителей заряда по спину осуществляется непосредственно в активной области за счёт взаимодействия с близкорасположенным ФМ слоем [6,7].

В настоящее время известно несколько схем ССИД, которые могут быть классифицированы по виду ферромагнитного инжектора:

1) ССИД с контактом на основе ФМ металла (Ni, Co, Fe) [например, 3,5];

2) ССИД с инжектором на основе разбавленного магнитного полупроводника (РМП) [8]
((Ga,Mn)As, (In,Mn)As, (Ga,Mn)Sb, и др.);

3) ССИД с инжектором на основе полуметаллического соединения (MnSb, (Ga,Mn)Sb,
MnAs) [3];

4) ССИД с тонким ферромагнитным слоем, встроенным в полупроводниковую матрицу на
небольшом удалении от активной области [6,7].

На текущий момент для светоизлучающих диодов на основе ферромагнитных металлических инжекторов получены наилучшие результаты с точки зрения эффективности и

диапазона рабочих температур [например, 9]. В то же время прорыв в технологии ССИД с ферромагнитным металлом связан с применением сложных и дорогостоящих технологических методик с низкой производительностью. Для достижения высоких эксплуатационных характеристик (высоких значений степени циркулярной поляризации, рабочей температуры) формируются структуры с совершенной гетерограницей на основе системы GaAs/MgO/Fe (или сплавы на основе Fe). Эффективность инжекции спинов существенно зависит от свойств границы раздела ферромагнетик/полупроводник. Так, в [10] показано, что одним из основных факторов, препятствующих эффективной инжекции спин-поляризованных носителей из ферромагнитного инжектора, является спиновое рассеяние на дефектах гетерограницы.

Использование разбавленных магнитных полупроводников в качестве альтернативного вида ферромагнитного инжектора позволяет формировать кристаллически-совершенные эпитаксиальные структуры с близкой к идеальной гетерограницей. Использование РМП реализует также и другие преимущества: возможность выращивания структур в едином технологическом цикле, близкие значения проводимостей в слоях ферромагнетика и полупроводника [4,8].

В целом, среди инжекторов на основе РМП можно выделить подгруппы:

а) однородно-легированные РМП [9],

б) разбавленные магнитные полупроводники, содержащие кластеры [11],

в) дельта-слои , встроенные в полупроводниковую матрицу на небольшом удалении от
активной области [7].

Одним из наиболее существенных недостатков однородно-легированных РМП являются низкие значения температуры Кюри [9,12]. Повышение температуры Кюри достигается увеличением концентрации Mn [9], что приводит к формированию кластеров MnAs или MnGa в матрице разбавленного магнитного полупроводника (т.е. к формированию РМП второго типа) [11]. Создание локально высокой концентрации атомов Mn без образования кластеров достигается при дельта-легировании GaAs атомами Mn [6,7], однако для таких систем повышения температуры Кюри продемонстрировано не было.

Другой важной особенностью большинства разбавленных магнитных полупроводников является дырочная проводимость [9]. «Стандартные» конструкции спиновых светоизлучающих диодов на основе РМП функционируют за счёт инжекции спин-поляризованных дырок [9,12]. Малое время спиновой релаксации дырок по сравнению с электронами затрудняет использование такого дизайна структур в некоторых видах светоизлучающих структур (например, в лазерных структурах с толстыми ограничивающими и волноводными слоями). В работе [13] была предложена конструкция ССИД, основанная на межзонном туннелировании электронов из валентной зоны (Ga,Mn)As в зону проводимости GaAs – диод Зеннера. Такая

возможность возникает за счёт изгиба зонной диаграммы при контакте с сильно легированной n+-областью.

Основным технологическим методом формирования слоёв разбавленных магнитных
полупроводников является молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), которая обеспечивает
технологическую возможность создания гетероструктур с резкими гетерограницами и
минимальной плотностью дефектов, высокое кристаллическое совершенство формируемых
эпитаксиальных слоёв ССИД [5,9]. Наиболее распространённой альтернативой методу МЛЭ,
отличающейся более высокой производительностью, является метод газофазной эпитаксии из
металл-органических соединений (МОС) и гидридов (МОС-гидридной эпитаксии – МОСГЭ).
Применение метода МОСГЭ для выращивания спиновых светоизлучающих диодов
существенно ограничено в связи с высокими, по сравнению с МЛЭ, температурами
осаждения [7,11,14]. Высокая ростовая температура обусловливает диффузионное

перемешивание гетерослоёв, формирование многофазных систем с дефектными границами раздела [например, 14,15]. Преодоление недостатков метода МОСГЭ возможно при его комбинации с импульсным лазерным осаждением (ИЛО). Метод ИЛО используется как вспомогательная методика для формирования отдельных слоёв спиновых светоизлучающих диодов в едином технологическом цикле МОСГЭ при атмосферном давлении [16].

Таким образом, можно отметить, что создание ферромагнитных инжекторов на основе разбавленных магнитных полупроводников и обеспечение условий для эффективной спиновой инжекции при комнатной температуре является интересной экспериментальной задачей, для решения которой необходимо изучение ряда фундаментальных явлений (формирование зонной структуры в диодах Зеннера, исследование спин-зависимых эффектов в неоднородных разбавленных магнитных полупроводниках [11]).

Цели и задачи работы

Целью работы являлись разработка и исследование спиновых светоизлучающих диодов на основе гетероструктур разбавленный магнитный полупроводник/GaAs, сформированных методом МОС-гидридной эпитаксии в сочетании с импульсным лазерным осаждением.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка конструкций спиновых светоизлучающих диодов на основе гетероструктур разбавленный магнитный полупроводник/GaAs (p-i-n диоды, диоды с туннельным слоем, диоды с дельта-легированием атомами Mn);

2. Исследование магнитоуправляемой циркулярно-поляризованной люминесценции в сформированных диодных структурах;

3. Анализ механизмов спиновой поляризации носителей заряда в гетероструктурах (A³,Mn)B⁵/GaAs.

Объекты исследования

Объектами исследования являлись полупроводниковые гетеронаноструктуры с квантовыми ямами InxGa1-xAs/GaAs (x 0,1 – 0,25), содержащие слои разбавленного магнитного полупроводника (A³,Mn)В⁵ (A = In, Ga; B = As, Sb). Помимо однородно-легированных слоёв исследованы кластерные ферромагнетики, а именно слои (Ga,Mn)Sb, содержащие кластеры MnGa или MnAs [11] в матрице (A³,Mn)B⁵. Кроме того, рассмотрена оригинальная конструкция: дельта-слои атомов в матрице GaAs. Структуры формировались комбинированным эпитаксиальным методом, сочетающим МОС-гидридную эпитаксию и импульсное лазерное осаждение, объединённые в одном реакторе. Геометрия слоёв и легирование полупроводниковой эпитаксиальной структуры обеспечивали формирование светоизлучающих диодов: p-i-n диодов, диодов с туннельным барьером (A³,Mn)В⁵/n++GaAs, модифицированных диодов Шоттки. При этом слои разбавленного магнитного полупроводника используются для создания неравновесной спиновой поляризации в активной области спиновых светоизлучающих диодов. Структуры сформированы с применением оригинального ростового метода, сочетающего МОС-гидридную эпитаксию и импульсное лазерное осаждение [16].

Методы исследования

Магнитополевые зависимости намагниченности исследовались при анализе измерений аномального эффекта Холла, а также измерялись на магнетометре переменного градиента силы, разработанном в Научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского (НИФТИ ННГУ).

Электрические свойства сформированных диодов изучались при измерении

вольтамперных характеристик (ВАХ). Измерения выполнены в НИФТИ ННГУ и на кафедре физики полупроводников и оптоэлектроники Физического факультета ННГУ. Для измерений ВАХ разработан специальный измерительный алгоритм с использованием источника-измерителя токов и напряжений Keithley-2400. Для анализа ВАХ были выполнены расчёты зонной диаграммы и распределения носителей заряда в модельных одномерных структурах аналогичных сформированным в настоящей работе диодам. Расчёты выполнялись помощью программы 1D Poisson/Schrdinger для температур 10 К и 77 К.

Исследование спектров фото- и электролюминесценции выполнялись на универсальных
спектральных установках в НИФТИ ННГУ. Установки включают монохроматоры МДР-3,
МДР-23, набор лазеров для исследований фотолюминесценции, источники тока Keithley-6221,
Keithley-2400 для исследования электролюминесценции. Исследования циркулярно-

поляризованной электролюминесценции выполнялись с использованием перечисленных

спектральных установок. Для измерений образцы помещались во внешнее магнитное поле, которое создавалось с применением электромагнитов (для измерений в диапазоне ±0,3 Тл). Измерение магнитополевых зависимостей степени циркулярной поляризации осуществлялось по стандартной методике с использованием четвертьволновой пластинки и поляризатора [3].

Варьирование температуры измерений в электрических и люминесцентных методах измерения осуществлялось путём помещения образцов в сосуд Дьюара с жидким азотом (для измерений при 77 К) либо путём помещения образцов в криостат (гелиевый криостат замкнутого цикла Janis CCS-300S/202).

Достоверность результатов в экспериментальной части работы обеспечена использованием взаимодополняющих методов анализа, воспроизводимостью характеристик исследуемых объектов, многократной экспериментальной проверкой результатов измерений, использованием метрологически аттестованной измерительной техники.

Научная новизна работы

1) Впервые показана спиновая инжекция в гетероструктурах (Ga,Mn)As/GaAs и
(Ga,Mn)Sb/GaAs, сформированных методом МОС-гидридной эпитаксии и импульсного
лазерного осаждения. В зависимости от выбранной геометрии структур реализуется спиновая
инжекция электронов или дырок.

2) Впервые в качестве инжектора спин-поляризованных носителей использован
разбавленный магнитный полупроводник (Ga,Mn)Sb, содержащий кластеры MnGa. Впервые
получена циркулярно-поляризованная электролюминесценция при комнатной температуре в
диодах на основе структур, содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника
(Ga,Mn)Sb/GaAs.

3) Впервые показана циркулярно-поляризованная электролюминесценция в структурах
(Ga,Mn)As/GaAs/InGaAs, обусловленная аддитивным вкладом механизмов инжекции спин-
поляризованных дырок и обменного взаимодействия дырок в квантовой яме InGaAs/GaAs с
ферромагнитным слоем (Ga,Mn)As.

4) Для спиновых светоизлучающих диодов дельта-Mn/GaAs/InGaAs, впервые
продемонстрирована возможность управления знаком циркулярно-поляризованной
люминесценции при варьировании ростовых параметров.

Практическая значимость работы

1. Разработана лабораторная технология создания спиновых светоизлучающих диодов на основе гетероструктур разбавленный магнитный полупроводник/GaAs, испускающих частично циркулярно-поляризованный свет при комнатной температуре.

2. Показана принципиальная возможность создания приборов со спиновой инжекцией как электронов, так и дырок с применением подобных технологических операций. Вид спин-

поляризованных носителей определяется геометрией структур. Использование обоих видов

носителей расширяет функциональные возможности приборов спинтроники.

3) Показана возможность получения циркулярно-поляризованной фото- и

электролюминесценции без применения специальных оптических элементов в

светоизлучающих диодах не реализующих эффект спиновой инжекции. Такое решение

позволяет избежать потерь циркулярной поляризации, связанных со спиновой релаксацией

носителей.

Внедрение научных результатов

Основные научные результаты использованы при выполнении следующих НИР:

Базовый госбюджет, РФФИ (05-02-16624, 10-02-00739, 12-07-00433, 13-07-00982, 13-02-97140,
14-07-31280, 15-02-07824, 15-38-20642, 14-07-31280_мол_а), ФЦП «Научные и научно-
педагогические кадры инновационной России» на 2010 - 2013 гг. (гранты П-1279, П-1145),
гранты Президента РФ (16.120.11.5359_МК, МК-2708.2013.2), проектная часть

государственного задания (8.1054.2014/К)).

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. В спиновых светоизлучающих диодах на основе гетероструктур GaMnAs/GaAs/InGaAs циркулярно-поляризованная электролюминесценция помимо, явлений спиновой инжекции и Зеемановского расщепления уровней в магнитном поле, обусловлена также взаимодействием носителей в квантовой яме с ферромагнитным слоем (Ga,Mn)As.

2. Анализ циркулярной поляризации электролюминесценции p-i-n диодов (Ga,Mn)As/i-GaAs/InGаAs/n-GaAs с различной толщиной спейсерного слоя i-GaAs позволяет рассчитать значение длины спиновой диффузии дырок. Для i-GaAs при 10 К длина спиновой диффузии дырок составила 60 ± 5 нм.

3. Спиновые светоизлучающие диоды на основе гетероструктур GaMnSb/n+GaAs/InGаAs испускают при комнатной температуре частично циркулярно-поляризованный свет, что обусловлено туннелированием спин-поляризованных электронов из намагниченного слоя (Ga,Mn)Sb.

4. Дельта-легирование марганцем GaAs барьера в гетероструктурах InGaAs/GaAs позволяет сформировать спиновые светоизлучающие диоды, работа которых не связана с фундаментальным явлением спиновой инжекции, а обусловлена взаимодействием дырок в квантовой яме InGaAs с ионами Mn.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2005-2007 гг., 2011-2015 гг.); Московском международном симпозиуме по магнетизму MISM (Москва, 2014 г.),

международной конференции «Физика, химия и применение наноструктур» Nanomeeting-2013 (Минск, Беларусь, 2013 г.), Научно-технической конференции «Пассивные электронные компоненты» (КБ «Икар» Н.Новгород, 2013 г.); 6 международной конференции-школы: Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики, физические свойства и применение (Саранск, 2005 г.); а также на семинарах физического факультета и НИФТИ ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано более 40 научных работ, включая 15 статей, входящих в перечень ВАК.

Личный вклад автора

Автором внесён определяющий вклад в получение основных экспериментальных результатов. Исследования фото- и электролюминесценции проведены автором самостоятельно и совместно с зав.лаб.2.8 НИФТИ ННГУ, к.ф.-м.н. М.В. Дорохиным и н.с. НИФТИ ННГУ, П.Б. Дёминой. Планирование экспериментов, обсуждение и анализ результатов проводились совместно с руководителем работы. Постановка ряда экспериментов и обсуждение их результатов проведены совместно с вед.н.с., к.ф.-м.н. Ю.А. Даниловым и с.н.с., к.ф.-м.н. А.В. Кудриным. Светоизлучающие структуры изготовлены в группе эпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ вед.н.с., к.ф-м.н. Б.Н. Звонковым (выращивание структур) и с.н.с., к.ф.-м.н. А.В. Здоровейщевым (нанесение металлических контактов).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, двух оригинальных глав, заключения, списка литературы. Общий объём диссертации составляет 173 страницы, включая 61 рисунок и 18 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 180 наименований.