Арсенид галлия и марганца

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Арсенид галлия и марганца
Общие
Химическая формула (Ga,Mn)As
Физические свойства
Состояние твёрдое тело
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Арсени́д га́ллия и ма́рганца, вещество, химическая формула (Ga,Mn)As, является магнитным полупроводником. Это второй по частоте использования полупроводник в мире после арсенида галлия (химическая формула GaAs)[1], и легко совместим с существующими полупроводниковыми технологиями. В отличие от других магнитных полупроводников, входящих в группу соединений , он является не парамагнетиком[2], а ферромагнетиком, то есть обладает магнитным гистерезисом. Это свойство арсенида галлия и марганца используется для создания запоминающих устройств. В арсениде галлия и марганца магнитный момент обеспечивают атомы марганца, каждый из которых является акцептором, что делает определяет p-тип проводимости. Наличие носителей заряда позволяет использовать этот полупроводник в системах, где протекают спин-поляризованные токи. Поскольку многие другие магнитные полупроводники — ферромагнетики не обладают свободными носителями, они являются хорошими диэлектриками[3][4]. Таким образом, (Ga,Mn)As является перспективным материалом для спинтронных устройств. К недостаткам этого материала можно отнести низкую температуру Кюри, которую можно повысить лишь до ~ 200 К, что делает арсенид галлия и марганца модельным образцом для фундаментальных исследований[5].

Выращивание[править]

Как и другие магнитные полупроводники[6], (Ga,Mn)As образуется путем легирования обычного полупроводника магнитными элементами. Для этого используется технология молекулярно-лучевой эпитаксии, с помощью которой кристаллические структуры могут быть выращены с точностью до одного атомного слоя. В (Ga,Mn)As марганец замещает атомы галлия, расположенные в узлах кристалла GaAs, что обеспечивает появление магнитного момента. Поскольку марганец имеет низкую растворимость в GaAs, внедрить его в больших количествах в арсенид галлия для появления ферромагнитных свойств оказывается сложной задачей. При использовании молекулярно-лучевой эпитаксии для получения качественной структуры материала температура подложки, называемая температурой роста, обычно составляет ~600 °C. Однако, при такой температуре при интенсивном потоке марганца вместо его включения в материал матрицы происходит сегрегация, и атомы марганца скапливаются на поверхности, образуя комплексы с атомами мышьяка[7]. Эту проблему преодолели, используя технологию низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии. В случае арсенида индия и марганца (In,Mn)As было обнаружено[8], что при неравновесном росте кристаллов можно успешно вводить более высокие концентрации легирующих примесей, что и было впоследствии использовано для (Ga,Mn)As[9]. Более низкая температура выращивания, порядка 250 °C, достаточна для формирования качественного монокристаллического сплава, но слишком мала для возникновения сегрегации из-за недостатка тепловой энергии[10].

Помимо замещающего включения марганца, низкотемпературная молекулярно-лучевая эпитаксия может вызывать внедрение других примесей. Наиболее распространены два вида примесей: межузельный марганец[11] и замещающие (заместительные) атомы мышьяка[12]. В первом случае атом марганца находится между другими атомами в структуре решетки сульфида цинка (цинковой обманки), а во втором — атом мышьяка занимает место атома галлия. Обе примеси являются двойными донорами, нейтрализуя дырки, образованные замещающими атомами марганца, за что получили название компенсирующих дефектов. Межузельный марганец также нейтрализует магнитный момент, связываясь с замещающими атомами марганца. Оба эти дефекта негативно сказываются на ферромагнитных свойствах (Ga,Mn)As, и поэтому нежелательны[13].

Ферромагнитные свойства[править]

Температура, ниже которой происходит переход от парамагнетизма к ферромагнетизму, известна как температура Кюри, [14]. Теоретические выводы, основанные на модели Зенера, предполагают, что температура Кюри изменяется в зависимости от количества марганца в структуре (Ga,Mn)As, поэтому может превысить 300 К, если достичь уровня легирования марганцем до 10 %. После открытия Оно [и др.] в (Ga,Mn)As удалось поднять температуру Кюри с 60 до 110 К. Однако, несмотря на теоретическую возможность получения ферромагнитного материала при комнатной температуре, в дальнейшем повысить температуру Кюри для данного материала не удалось.

В результате отсутствия прогресса в этом направлении сложилось мнение, что температура Кюри, равная 110 К, является фундаментальным пределом для (Ga,Mn)As. Самокомпенсирующаяся природа дефектов ограничивает теоретически возможные концентрации дырок, предотвращая дальнейший рост . Однако, произошёл технологический прорыв благодаря улучшениям технологии отжига материала уже после его выращивания. Использовались температуры отжига, сопоставимые с температурой роста, что позволило преодолеть застывший барьер в 110 К[15][16][17]. Отжиг при температурах, примерно равных температуре выращивания, способствовал удалению из материала высокомобильных межузельных атомов марганца[18][19].

В настоящее время самые высокие зарегистрированные значения в (Ga,Mn)As составляют примерно 173 К[20], что ещё значительно ниже столь востребованной комнатной температуры. В результате измерения характеристик материала должны проводиться при криогенных температурах, что в настоящее время исключает любое его применение за пределами лаборатории[21][22][23][24][25]. Значительные усилия тратятся на поиск альтернативных магнитных полупроводников, для которых комнатная температура не является недостижимой. Поскольку методы и оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии непрерывно совершенствуются, существуют реальные перспективы улучшения контроля над условиями выращивания и отжига, что может позволить добиться дальнейшего прогресса в повышении температуры Кюри для (Ga,Mn)As.

Физические свойства[править]

Несмотря на то, что ферромагнитные свойства при комнатной температуре еще не достигнуты, магнитные полупроводниковые материалы, такие как (Ga,Mn)As, продемонстрировали хорошие перспективы. Благодаря достижениям физики магнитных полупроводников, в них были открыты новые явления, а также синтезированы новые структуры. Проведём краткий критический обзор основных известных разработок в этой области.

Ключевым результатом в области создания магнитных полупроводников является так называемый затворный ферромагнетизм[26], при котором электрическое поле используется для управления ферромагнитными свойствами материала. Этот результат был получен Оно [и др.][27] с использованием полевого транзистора с изолирующим затвором и (In,Mn)As в качестве материала магнитного канала. Магнитные свойства были зафиксированы с помощью измерений величин эффекта Холла, зависящих от степени намагниченности канала. Используя действие затвора для обеднения или обогащения дырками материала канала, можно управлять величиной отклика величин эффекта Холла, чтобы канал проявлял либо парамагнитные, либо ферромагнитные свойства. Когда температура образца близка к его , можно «включить» или «выключить» ферромагнетизм материала канала, изменяя напряжение на затворе, что позволяло могло изменить управлять в пределах ±1 К.

Аналогичное транзисторное устройство на основе (In,Mn)As было использовано в качестве дополнительного примера затворного ферромагнетизма. В этом эксперименте электрическое поле использовалось для управления коэрцитивного поля, при котором происходит перемагничивание. В результате зависимости магнитного гистерезиса от смещения на затворе электрическое поле может быть использовано для перемагничивания или даже размагничивания ферромагнитного материала. Объединение магнитной и электронной функциональности, продемонстрированное этим экспериментом, является одной из целей спинтроники.

Спинтронные эффекты[править]

Другим важным спинтронным эффектом, продемонстрированным в магнитных полупроводниках, является спиновая инжекция. Здесь высокий уровень спиновой поляризации, присущей данным магнитным материалам, используется для переноса спин-поляризованных носителей в немагнитный материал[28]. В этом примере использовалась эпитаксиальная гетероструктура, в которой спин-поляризованные дырки инжектировались из слоя (Ga,Mn)As в квантовую яму (In,Ga)As, где они объединялись с неполяризованными электронами из подложки n-типа проводимости. В результате была получена электролюминесценция с поляризацией 8 %. Это представляет потенциальный технологический интерес, поскольку показывает возможность управления спиновыми состояниями в немагнитных полупроводниках без участия внешнего магнитного поля.

(Ga,Mn)As представляет собой превосходный материал для изучения механики доменных стенок, поскольку домены могут иметь размер порядка 100 мкм[29]. В результате ряда исследований, в которых использовались литографически выполненные боковые сужения или другие точки закрепления, было осуществлено управление доменными стенками[30]. Эти эксперименты имели решающее значение для понимания зарождения и распространения доменных стенок[31], что необходимо для создания сложных логических схем, основанных на механике доменных стенок.[32] Многие свойства доменных стенок до сих пор полностью не изучены, и одним из особенно нерешённых вопросов является величина и размер сопротивления, связанного с прохождением тока через доменные стенки. Зафиксированы сообщения как о положительных[33], так и об отрицательных[34] значениях сопротивления доменных стенок, что оставляет эту область открытой для будущих исследований.

Пример простого устройства, использующего закрепленные доменные стенки, приводится в ссылке.[35] Эксперимент проводился над литографически созданном узким островом, соединенным с выводами через несколько наносужений. Пока устройство работало в диффузионном режиме, сужения оказывали давление на доменные стенки, что приводило к гигантской величине сигнала магнитосопротивления. Когда же устройство работало в туннельном режиме, наблюдался другой эффект магнитосопротивления, который будет обсуждён ниже.

Ещё одним важным свойством доменных стенок является их подвижность, вызванная спин-поляризованным током.[36] Считается, что поворот происходит в результате крутящего момента спин-переноса, создаваемого спин-поляризованным током[37]. Это было продемонстрировано в работе с использованием устройства (Ga,Mn)As, содержащего три области, смоделированные таким образом, чтобы иметь три различных коэрцитивные поля, позволяющих легко сформировать доменную стенку. Центральная область была разработана так, чтобы формировать самую низкую коэрцитивную силу, так что появление импульсов тока могло вызвать переключение ориентации намагниченности. Этот эксперимент показал что ток, необходимый для достижения разворота в (Ga,Mn)As, был на два порядка ниже, чем в металлических системах. Также было продемонстрировано, что разворот намагниченности, вызванный током, может происходить через вертикальный туннельный переход (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As[38].

Другим новым спинтронным эффектом, который впервые наблюдался в туннельных устройствах на основе (Ga,Mn)As, было туннельное анизотропное магнитосопротивление. Этот эффект возникает из-за сложной зависимости плотности туннельных состояний от намагниченности и может приводить к увеличению величины магнитосопротивления на несколько порядков. Данный эффект наблюдался вначале в вертикальных туннельных структурах[39], а затем и в устройствах латерального типа[40]. Туннельное анизотропное магнитосопротивление стало общим свойством ферромагнитных туннельных структур. Аналогичным образом, зависимость энергии электростатического отталкивания отдельного электрона от намагниченности привела к наблюдению другого эффекта магнитосопротивления в приборах на основе (Ga,Mn)As — так называемой кулоновской блокады анизотропного магнитосопротивления.

См. также[править]

Примечания[править]

  1. ↑ Чижиков Д. М. Теллур и теллуриды. — Москва: Наука, 1966.
  2. ↑ Furdyna, J. K. Diluted magnetic semiconductors англ. // Journal of Applied Physics. — 1988. — № 64 (4). — С. R29–R64.
  3. ↑ Pinto, N.; L. Morresi; M. Ficcadenti; R. Murri; F. D'Orazio; F. Lucari; L. Boarino; G. Amato Magnetic and electronic transport percolation in epitaxial Ge1−xMnx films англ. // Physical Review B. — 2005. — № 72 (16). — С. 165203.
  4. ↑ Kim, K.H. Defect levels of semi-insulating CdMnTe:In crystals англ. // Journal of Applied Physics. — 2011. — № 109 (11). — С. 113715–113715.
  5. ↑ Фетисов Юрий Константинович, Сигов Александр Сергеевич Спинтроника: физические основы и устройства // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. — 2018. — № 3.
  6. ↑ Ohno, H.; H. Munekata; T. Penney; S. von Molnár; L. L. Chang Magnetotransport properties of p-type (In,Mn)As diluted magnetic III-V semiconductors англ. // Physical Review Letters. — 1992. — № 68 (17). — С. 2664–2667.
  7. ↑ DeSimone, D.; C. E. C. Wood; Jr. Evans Manganese incorporation behavior in molecular beam epitaxial gallium arsenide англ. // Journal of Applied Physics. — 1982. — № 53 (7). — С. 4938–4942.
  8. ↑ Munekata, H.; H. Ohno; S. von Molnar; Armin Segmüller; L. L. Chang; L. Esaki Diluted magnetic III-V semiconductors англ. // Physical Review Letters. — 1989. — № 63 (17). — С. 1849–1852.
  9. ↑ Ohno, H.; A. Shen; F. Matsukura; A. Oiwa; A. Endo; S. Katsumoto; Y. Iye (Ga,Mn)As: A new diluted magnetic semiconductor based on GaAs англ. // Applied Physics Letters. — 1996. — № 69 (3). — С. 363–365.
  10. ↑ Ohno, H. Making Nonmagnetic Semiconductors Ferromagnetic англ. // Science. — 1998. — № 281 (5379). — С. 951–956.
  11. ↑ Yu, K. M.; W. Walukiewicz; T. Wojtowicz; I. Kuryliszyn; X. Liu; Y. Sasaki; J. K. Furdyna Effect of the location of Mn sites in ferromagnetic Ga1−xMnxAs on its Curie temperature англ. // Physical Review B. — 2002. — № 65 (20). — С. 201303.
  12. ↑ Grandidier, B.; J. P. Nys; C. Delerue; D. Stievenard; Y. Higo; M. Tanaka Atomic-scale study of GaMnAs/GaAs layers англ. // Applied Physics Letters. — 2000. — № 77 (24). — С. 4001–4003.
  13. ↑ Sadowski, J.; J. Z. Domagala Influence of defects on the lattice constant of GaMnAs англ. // Physical Review B. — 2004. — № 69 (7). — С. 075206.
  14. ↑ Yu, K. M.; W. Walukiewicz; T. Wojtowicz; W. L. Lim; X. Liu; U. Bindley; M. Dobrowolska; J. K. Furdyna Curie temperature limit in ferromagnetic Ga1−xMnxAs англ. // Physical Review B. 68. — 2003. — № 4. — С. 041308.
  15. ↑ Edmonds, K. W.; K. Y. Wang; R. P. Campion; A. C. Neumann; N. R. S. Farley; B. L. Gallagher; C. T. Foxon High-Curie-temperature Ga1−xMnxAs obtained by resistance-monitored annealing англ. // Applied Physics Letters. — 2002. — № 81 (26). — С. 4991–4993.
  16. ↑ Chiba, D.; K. Takamura; F. Matsukura; H. Ohno Effect of low-temperature annealing on (Ga,Mn)As trilayer structures англ. // Applied Physics Letters. — 2003. — № 82 (18). — С. 3020–3022.
  17. ↑ Ku, K. C.; Potashnik, S. J.; Wang, R. F.; Chun, S. H.; Schiffer, P.; Samarth, N.; Seong, M. J.; Mascarenhas, A.; Johnston-Halperin, E.; Myers, R. C.; Gossard, A. C.; Awschalom, D. D. Highly enhanced Curie temperature in low-temperature annealed [Ga,Mn]As epilayers англ. // Applied Physics Letters. — 2003. — № 82 (14). — С. 2302–2304.
  18. ↑ Edmonds, K. W.; Boguslawski, P.; Wang, K. Y.; Campion, R. P.; Novikov, S. N.; Farley, N. R. S.; Gallagher, B. L.; Foxon, C. T.; Sawicki, M.; Dietl, T.; Buongiorno Nardelli, M.; Bernholc, J. Mn Interstitial Diffusion in (Ga,Mn)As англ. // Physical Review Letters. — 2004. — № 92 (3). — С. 037201–037204.
  19. ↑ Jungwirth, T.; Wang, K. Y.; Masek, J.; Edmonds, K. W.; Konig, Jurgen; Sinova, Jairo; Polini, M.; Goncharuk, N. A.; MacDonald, A. H.; Sawicki, M.; Rushforth, A. W.; Campion, R. P.; Zhao, L. X.; Foxon, C. T.; Gallagher, B. L. Prospects for high temperature ferromagnetism in (Ga,Mn)As semiconductors англ. // Physical Review B. — 2005. — № 72 (16). — С. 165204–13.
  20. ↑ Wang, K. Y.; Campion, R. P.; Edmonds, K. W.; Sawicki, M.; Dietl, T.; Foxon, C. T.; Gallagher, B. L. Magnetism in (Ga,Mn)As Thin Films With TC Up To 173K англ. // Proceedings of the 27th International Conference on the Physics of Semiconductors. PHYSICS OF SEMICONDUCTORS: 27th International Conference on the Physics of Semiconductors – ICPS-27. — 2005. — Vol. Vol. 772. — С. 333–334.
  21. ↑ Matsumoto, Yuji; Makoto Murakami; Tomoji Shono; Tetsuya Hasegawa; Tomoteru Fukumura; Masashi Kawasaki; Parhat Ahmet; Toyohiro Chikyow; Shin-ya Koshihara; Hideomi Koinuma Room-Temperature Ferromagnetism in Transparent Transition Metal-Doped Titanium Dioxide англ. // Science. — 2001. — № 291 (5505). — С. 854–856.
  22. ↑ Reed, M. L.; N. A. El-Masry; H. H. Stadelmaier; M. K. Ritums; M. J. Reed; C. A. Parker; J. C. Roberts; S. M. Bedair Room temperature ferromagnetic properties of (Ga, Mn)N англ. // Applied Physics Letters. — 2001. — № 79 (21). — С. 3473–3475.
  23. ↑ Han, S-J.; Song, J. W.; Yang, C.-H.; Park, S. H.; Park, J.-H.; Jeong, Y. H.; Rhie, K. W. A key to room-temperature ferromagnetism in Fe-doped ZnO: Cu англ. // Applied Physics Letters. — 2002. — № 81 (22). — С. 4212–4214.
  24. ↑ Saito, H.; V. Zayets; S. Yamagata; K. Ando Room-Temperature Ferromagnetism in a II-VI Diluted Magnetic Semiconductor Zn1−xCrxTe англ. // Physical Review Letters. — 2003. — № 90 (20). — С. 207202.
  25. ↑ Sharma, Parmanand; Amita Gupta; K. V. Rao; Frank J. Owens; Renu Sharma; Rajeev Ahuja; J. M. Osorio Guillen; Borje Johansson; G. A. Gehring Ferromagnetism above room temperature in bulk and transparent thin films of Mn-doped ZnO англ. // Nature Materials. — 2003. — № 2 (10). — С. 673–677.
  26. ↑ Chiba, D.; M. Yamanouchi; F. Matsukura; H. Ohno Electrical Manipulation of Magnetization Reversal in a Ferromagnetic Semiconductor англ. // Science. — 2003. — № 301 (5635). — С. 943–945.
  27. ↑ Ohno, H.; D. Chiba; F. Matsukura; T. Omiya; E. Abe; T. Dietl; Y. Ohno; K. Ohtani Electric-field control of ferromagnetism англ. // Nature. — 2000. — № 408 (6815). — С. 944–946.
  28. ↑ Ohno, Y.; D. K. Young; B. Beschoten; F. Matsukura; H. Ohno; D. D. Awschalom Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heterostructure англ. // Nature. — 1999. — № 402 (6763). — С. 790–792.
  29. ↑ Fukumura, T.; T. Shono; K. Inaba; T. Hasegawa; H. Koinuma; F. Matsukura; H. Ohno Magnetic domain structure of a ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As observed with scanning probe microscopes англ. // Physica E. — 2001. — № 10 (1–3). — С. 135–138.
  30. ↑ Honolka, J.; S. Masmanidis; H. X. Tang; M. L. Roukes; D. D. Awschalom Domain-wall dynamics at micropatterned constrictions in ferromagnetic (Ga,Mn)As epilayers англ. // Journal of Applied Physics. — 2005. — № 97 (6). — С. 063903–063904.
  31. ↑ Holleitner, A. W.; H. Knotz; R. C. Myers; A. C. Gossard; D. D. Awschalom Manipulating a domain wall in (Ga,Mn)As англ. // J. Appl. Phys. — 2005. — № 97 (10). — С. 10D314.
  32. ↑ Allwood, D. A.; G. Xiong; C. C. Faulkner; D. Atkinson; D. Petit; R. P. Cowburn Magnetic Domain-Wall Logic англ. // Science. 309 (5741). — 2005. — № 309 (5741). — С. 1688–1692.
  33. ↑ Chiba, D.; M. Yamanouchi; F. Matsukura; T. Dietl; H. Ohno Domain-Wall Resistance in Ferromagnetic (Ga,Mn)As англ. // Physical Review Letters. — 2006. — № 96 (9). — С. 096602.
  34. ↑ Tang, H. X.; S. Masmanidis; R. K. Kawakami; D. D. Awschalom; M. L. Roukes Negative intrinsic resistivity of an individual domain wall in epitaxial (Ga,Mn)As microdevices англ. // Nature. — 2004. — № 431 (7004). — С. 52–56.
  35. ↑ Ruster, C.; T. Borzenko; C. Gould; G. Schmidt; L. W. Molenkamp; X. Liu; T. J. Wojtowicz; J. K. Furdyna; Z. G. Yu; M. E. Flattý Very Large Magnetoresistance in Lateral Ferromagnetic (Ga,Mn)As Wires with Nanoconstrictions англ. // Physical Review Letters. — 2003. — № 91 (21). — С. 216602.
  36. ↑ Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers англ. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 1996. — № 159 (1–2). — С. L1–L7.
  37. ↑ Yamanouchi, M.; D. Chiba; F. Matsukura; H. Ohno Current-induced domain-wall switching in a ferromagnetic semiconductor structure англ. // Nature. — 2004. — № 428 (6982). — С. 539–542.
  38. ↑ Chiba, D.; Y. Sato; T. Kita; F. Matsukura; H. Ohno Current-Driven Magnetization Reversal in a Ferromagnetic Semiconductor (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As Tunnel Junction англ. // Physical Review Letters. — 2004. — № 93 (21). — С. 216602.
  39. ↑ Gould, C.; C. Ruster; T. Jungwirth; E. Girgis; G. M. Schott; R. Giraud; K. Brunner; G. Schmidt; L. W. Molenkamp Tunneling Anisotropic Magnetoresistance: A Spin-Valve-Like Tunnel Magnetoresistance Using a Single Magnetic Layer англ. // Physical Review Letters. — 2004. — № 93 (11). — С. 117203.
  40. ↑ Giddings, A. D.; Khalid, M. N.; Jungwirth, T.; Wunderlich, J.; Yasin, S.; Campion, R. P.; Edmonds, K. W.; Sinova, J.; Ito, K.; Wang, K.-Y.; Williams, D.; Gallagher, B. L.; Foxon, C. T. Large Tunneling Anisotropic Magnetoresistance in (Ga,Mn)As Nanoconstrictions англ. // Physical Review Letters. — 2005. — № 94 (12). — С. 127202–127204.

Литература[править]

Ссылки[править]

Шаблон:Соединения галлияШаблон:Соединения марганца

Рувики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Арсенид галлия и марганца», расположенная по адресу:

—«https://ru.ruwiki.ru/wiki/Арсенид_галлия_и_марганца»

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Арсенид_галлия_и_марганца&oldid=2106768