Effect of Be co-doping on the anisotropy of magnetoresistance in GaMnAs epitaxial layers.pdf Введение С момента открытия возможности получения состояния ферромагнитного упорядочения в твердых растворах GaMnAs, полученных методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии (НТ МЛЭ), данный материал привлекает значительное внимание исследователей, работающих в области физики полупроводников и полупроводникового материаловедения. Одним из наиболее интересных эффектов, наблюдаемых в эпитаксиальных слоях GaMnAs, является анизотропия их магнитных и магнитотранспортных характеристик. Данный эффект проявляется в различии магнитных свойств GaMnAs, определяемых вдоль различных (в том числе эквивалентных) кристаллических осей [1-3]. К настоящему моменту установлено, что характер анизотропии магнитных и магнитотранспортных свойств GaMnAs зависит от таких факторов, как величина и знак механических напряжений в объеме эпитаксиального слоя, температура и концентрация носителей заряда [4-8]. В последнее время было показано, что параметры анизотропии эпитаксиальных слоев GaMnAs могут быть модифицированы посредством дополнительного легирования немагнитными примесями. Так, в работе [9] показано, что дополнительное легирование примесью фосфора ведет к изменению ориентации оси легкого намагничивания эпитаксиальных слоев GaMnAs. Авторы связывают наблюдаемый эффект с изменением величины механических напряжений в эпитаксиальном слое GaMnAs при введении в его кристаллическую матрицу примеси фосфора. В работе [10] было показано, что дополнительное легирование примесью бериллия ведет к изменению температурной зависимости анизотропного магнетосопротивления (МС) эпитаксиальных слоев GaMnAs. Однако природа данного эффекта остается неустановленной. Данные результаты обуславливают интерес к влиянию дополнительного легирования немагнитными примесями на анизотропию магнитных и магнитотранспортных характеристик эпитаксиальных слоев GaMnAs. В настоящей работе приводятся результаты исследования влияния примеси Ве на анизотропию магнетосопротивления GaMnAs, находящегося в состоянии ферромагнитного упорядочения. 1. Образцы и методика эксперимента Эпитаксиальные слои GaMnAs, дополнительно легированные бериллием (в дальнейшем GaMnAs:Be), были получены методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующую подложку GaAs с кристаллографической ориентацией (001). Температура подложки в процессе эпитаксии составляла 275 °С. Температура эффузионных ячеек Mn и Be в процессе выращивания составляла 860 и 1100 °С соответственно. Толщина исследуемых эпитаксиальных слоев составляла 250-300 нм. В целом технология получения эпитаксиальных слоев, исследуемых в данной работе, аналогична описанной в [10, 11]. Контроль структурной однородности эпитаксиального слоя в процессе его роста осуществлялся при помощи методов дифракции отраженных быстрых электронов (в процессе выращивания) и рентгеноструктурного анализа. Оба метода показали отсутствие процессов фазового разделения в выращиваемых эпитаксиальных слоях GaMnAs:Be. Концентрация примеси Mn в исследуемых эпитаксиальных слоях определялась при помощи электронно-зондового микроанализатора JEOL JXA 8600 и составляла 0.78 ат.%. Используемый микроанализатор не позволяет определять концентрацию бериллия в исследуемых эпитаксиальных слоях. В то же время, поскольку Ве является эффективным акцептором с энергией ионизации порядка 0.03 эВ [12], концентрация электрически-активной части примеси Be в GaAs может быть оценена из измерений концентрации носителей заряда. Для определения концентрации примеси Ве нами были получены эпитаксиальные слои GaAs, легированные примесью Ве в процессе выращивания. Поскольку слои GaAs, полученные методом НТ МЛЭ, отличаются повышенной концентрацией дефектов донорного типа, для исключения влияния последних на концентрацию носителей заряда эпитаксиальные слои GaAs:Be выращивались при температуре подложки 600 °С. Концентрация носителей заряда в эпитаксиальных слоях GaAs:Be, определенная из измерений эффекта Холла при комнатной температуре, составляла р = 2.8•1019 см-3, что соответствует концентрации электрически активных атомов Be 0.05 ат.%. В то же время, как показано в [13], в эпитаксиальных слоях GaAs:Be не все атомы бериллия являются электрически активными. Так, при концентрациях Ве порядка 5•1019 см-3 концентрация электрически активных атомов Ве составляет примерно 50% от их общей концентрации. С учетом вышесказанного можно предположить, что в исследованных нами эпитаксиальных слоях концентрация Be составляет приблизительно 0.1 ат.%. Концентрация носителей заряда в эпитаксиальных слоях GaMnAs:Be, определенная при комнатной температуре, составила 1.6•1019 см-3, что почти в 2 раза меньше, чем в эпитаксиальных слоях GaAs:Be. Наблюдаемое уменьшение концентрации носителей заряда можно объяснить ранее упомянутыми процессами компенсации акцепторных примесей Be и Mn дефектами донорного типа, возникающими в объеме эпитаксиального слоя при его получении методом НТ МЛЭ. Измерения при помощи метода рентгеноструктурного анализа высокого разрешения показали, что значения постоянной решетки в направлении, перпендикулярном плоскости эпитаксиального слоя, составляют 5.6669 Å для GaMnAs:Be и 5.6759 Å для GaMnAs, тогда как в плоскости слоя постоянная решетки в обоих случаях совпадает с постоянной решетки GaAs и составляет 5.6533 Å. Таким образом, дополнительное легирование Be ведет к уменьшению несоответствия параметров решетки подложки и растущего эпитаксиального слоя на 60%. Температура Кюри исследуемых эпитаксиальных слоев была определена из измерений температурной зависимости аномального эффекта Холла [14] и составляла 45 К. Измерения магнетосопротивления проводились четырехзондовым методом в геометрии Ван-Дер-Пау. В процессе измерений магнитное поле было ориентировано нормально к поверхности образца. Для удобства сопоставления результатов, полученных для различных кристаллических осей, зависимость сопротивления от магнитного поля характеризовалась величиной нормированного магнетосопротивления RH, определяемой как где R(H) - сопротивление, измеренное при заданном значении магнитного поля; R(0) - сопротивление в отсутствие магнитного поля. Для определения влияния примеси Be на анизотропию магнетосопротивления GaMnAs полученные в данной работе результаты сопоставлялись с приведенными в работе [15] результатами измерений магнетосопротивления не содержащих Be эпитаксиальных слоев GaMnAs, выращенных при аналогичных режимах эпитаксии. 2. Результаты и их обсуждение На рис. 1 представлены зависимости величины RH эпитаксиальных слоев GaMnAs:Be, измеренной вдоль различных кристаллографических осей при температуре 20 К. Отметим, что характер зависимости RH от Н не является монотонным - при значениях Н = 500 Э для всех осей наблюдается небольшое положительное магнетосопротивление, которое исчезает с повышением напряженности внешнего магнитного поля. Начиная с некоторых значений Н > Нt, зависимость RH(Н) становится практически линейной. Величина Нt составляет 1500 Э для оси [110] и 2000 Э для остальных кристаллических осей. Наблюдаемый характер зависимости величины магнетосопротивления от внешнего магнитного поля обусловлен тем, что в разбавленных магнитных полупроводниках, находящихся в состоянии ферромагнитного упорядочения, природа магнетосопротивления в области сильных и слабых полей определяется различными механизмами. В области слабых полей основной вклад в величину МС вносят процессы, связанные с переориентацией намагниченности эпитаксиального слоя, которые, в случае перпендикулярной ориентации магнитного поля по отношению к току, протекающему через эпитаксиальный слой, приводят к возникновению положительного магнетосопротивления. В области сильных полей, когда переориентация намагниченности завершена, доминирующими становятся процессы, связанные с изменением степени локализации носителей заряда, которые обуславливают возникновение отрицательного магнетосопротивления [16]. Положительная величина МС, наблюдаемого в области значений напряженности магнитного поля до 500 Э, свидетельствует о том, что при данных значениях Н вклад процессов, связанных с переориентацией намагниченности эпитаксиального слоя, доминирует над вкладом процессов, связанных с изменением степени локализации носителей заряда. Линейность зависимости RН от Н при напряженностях магнитного поля, больших Нt, связана с установлением магнитного упорядочения в GaMnAs:Ве. При этом вклад процессов, связанных с переориентацией намагниченности, исчезает, и величина магнетосопротивления определяется только процессами, связанными с изменением степени локализации носителей заряда. Рис. 1. Магнетосопротивление GaMnAs:Be, измеренное вдоль различных кристаллических осей при температуре 20 К: 1 - [010], 2 - [100], 3 - [110], 4 - [1͞10] Для характеризации угла наклона линейной части зависимостей магнетосопротивления в области полей, больших Нt, мы использовали величину Rx, определяемую как где Нmax - максимальное значение напряженности магнитного поля в процессе измерений; |Нmax| и |Нt| - взятые по модулю численные значения величины Нmax и Нt; RH(Нmax) и RH(Нt) - значения величины RН при напряженности магнитного поля Нmax и Нt соответственно. Необходимо отметить, что в исследуемых эпитаксиальных слоях наблюдается некоторое различие величин Rx, измеренных для различных кристаллических осей. Наибольшее значение Rx = -3.38•10-6 наблюдается для оси [100], а наименьшее Rx = -3.89•10-6 - для оси [010]. Сопоставляя данные измерений магнетосопротивления эпитаксиальных слоев GaMnAs:Ве с полученными нами ранее данными измерений магнетосопротивления для эпитаксиальных слоев GaMnAs, не содержащих Ве, можно отметить, что эффекты положительного магнетосопротивления в GaMnAs:Ве выражены слабее и исчезают при меньших значениях Н, чем эффекты положительного магнетосопротивления в эпитаксиальных слоях GaMnAs. Кроме того, дополнительное легирование примесью Be ведет к уменьшению зависимостей сопротивления от магнитного поля в области полей, больших Нt. Так, значения Rx, определенные в [15], для эпитаксиальных слоев GaMnAs, больше значений Rx, определенных в настоящей работе в 2-3 раза. Следует также отметить, что в эпитаксиальных слоях GaMnAs:Ве различия в величине Rx, измеренной вдоль различных кристаллических осей, выражено значительно слабее, чем в эпитаксиальных слоях, не содержащих Be. На рис. 2 представлены результаты измерения зависимости RH(Н) эпитаксиальных слоев GaMnAs:Ве, полученные в температурном интервале 20-40 К. Прежде всего отметим исчезновение положительного магнетосопротивления с повышением температуры. Однако в целом в области полей, не превышающих Нt, зависимость RH(Н) слабо зависит от температуры. При значениях напряженности магнитного поля, превышающих Нt, наблюдается изменение угла наклона линейной части зависимости RH(Н), при этом изменение наклона зависимостей RH(Н) зависит от кристаллического направления. Рис. 2. Магнетосопротивление GaMnAs:Be, измеренное вдоль различных кристаллических осей при различных температурах: а - вдоль оси [1͞10], б - вдоль оси [110], в - вдоль оси [100], г - вдоль оси [010]. Температура измерения, К: 1 - 20, 2 - 30, 3 - 40 На рис. 3 представлены температурные зависимости величины Rx, определенной вдоль различных кристаллических осей. Отметим, что зависимость величины Rx от температуры носит немонотонный характер, демонстрируя минимум при 30 К. Несмотря на качественное совпадение характера температурных зависимостей величины Rx, измеренных вдоль различных кристаллических осей, количественно эти зависимости существенным образом отличаются. Так, величина Rx, определенная для оси [1͞10] при повышении температуры до 40 К, изменяется более чем в 2 раза, тогда как изменение величины Rx, определенной для оси [110], составляет 5%. Изменения величины Rx, определенной вдоль осей [100] и [010], составляют 35 и 16% соответственно. Отметим, что наибольшие различия в температурной зависимости величины Rx наблюдаются для эквивалентных кристаллических осей [1͞10] и [110], в то время как для осей [100] и [010] эти различия выражены значительно слабее. Различный характер температурной зависимости величины Rx, определенной вдоль различных кристаллических осей, свидетельствует о наличии анизотропии магнитотранспортных характеристик эпитаксиальных слоев GaMnAs:Ве в области полей, больших Нt. При этом данные эффекты анизотропии МС усиливаются при приближении температуры измерений к температуре Кюри. Рис. 3. Температурная зависимость угла наклона зависимостей Rx(Н), определенная вдоль различных кристаллических осей при значениях напряженности магнитного поля H > Ht: 1 - [010], 2 - [100], 3 - [110], 4 - [1͞10] В целом, анализируя изменения характера зависимостей RH(Н) с повышением температуры, можно отметить, что эффекты анизотропии в области полей, меньших Нt, выражены слабее, чем в области полей, больших Нt. Сопоставляя результаты измерений температурной зависимости МС эпитаксиальных слоев GaMnAs:Ве с полученными ранее результатами измерений температурной зависимости магнетосопротивления GaMnAs, не содержащего Ве, можно отметить, что введение дополнительной примеси бериллия значительно модифицирует характер наблюдаемой анизотропии. При этом наиболее существенные изменения наблюдаются в области полей, меньших Нt. Как в GaMnAs:Ве, так и в GaMnAs при значениях поля, меньших Нt, наблюдается анизотропия магнетосопротивления, измеренного вдоль кристаллических осей [110] и [1͞10], однако в дополнительно легированных бериллием эпитаксиальных слоях эффекты анизотропии выражены значительно слабее и зависят от температуры существенно меньшим образом. В области полей, больших Нt, как в эпитаксиальных слоях GaMnAs:Ве, так и в эпитаксиальных слоях GaMnAs эффекты анизотропии МС наибольшим образом проявляются для кристаллических осей [1͞10] и [110]. Рассмотрим теперь механизмы, определяющие влияние примеси Be на характер анизотропии магнетосопротивления эпитаксиальных слоев GaMnAs. К настоящему времени установлено, что эффекты анизотропии в GaMnAs зависят от величины и знака внутренних механических напряжений в объеме эпитаксиального слоя. Так, в области полей, для которых эффекты анизотропии обусловлены переориентацией магнитных моментов, в эпитаксиальных слоях, испытывающих напряжения сжатия, преобладают эффекты анизотропии в плоскости пленки, а в эпитаксиальных слоях, испытывающих напряжения растяжения, доминируют эффекты анизотропии в направлении, нормальном к плоскости пленки [5]. Как было упомянуто ранее, введение примеси Be значительно уменьшает несоответствие параметров решетки подложки GaAs и растущего эпитаксиального слоя GaMnAs:Be, уменьшая тем самым величину механических напряжений сжатия в его объеме. Таким образом, значительное ослабление эффектов анизотропии магнетосопротивления, наблюдаемое в плоскости эпитаксиальных слоев GaMnAs:Be при напряженностях внешнего поля, меньших Нt, может быть связано с изменением характера доминирующих эффектов анизотропии, вызванных уменьшением напряжений в слоях GaMnAs при его дополнительном легировании примесью Be. В то же время в исследуемых эпитаксиальных слоях наблюдается анизотропия магнетосопротивления в области полей, больших Нt, когда процесс переориентации магнитных моментов в объеме эпитаксиального слоя уже завершен. Данный факт, на наш взгляд, свидетельствует о том, что для полей, больших и меньших Нt, эффекты анизотропии магнетосопротивления имеют различную природу. Ранее нами было показано, что анизотропия отрицательного магнетосопротивления, наблюдаемая в эпитаксиальных слоях GaMnAs при значениях магнитного поля, больших Нt, может быть связана с присутствием в объеме эпитаксиального слоя пространственно-ориентиро¬ванных структур, связанных с неоднородным распределением примеси Mn [15]. Данные структуры формируются в процессе роста эпитаксиального слоя и ориентированы вдоль кристаллографического направления . Наличие анизотропии МС в эпитаксиальных слоях GaMnAs:Ве позволяет предположить, что подобные пространственно-ориентированные структуры существуют и в их объеме. При этом тот факт, что и в GaMnAs, и в GaMnAs:Be анизотропия МС наибольшим образом проявляется для осей [110] и [1͞10], свидетельствует об одинаковой пространственной ориентации данных структур в эпитаксиальных слоях обоих типов. Выводы и заключение Проведенные исследования показали наличие анизотропии магнетосопротивления эпитаксиальных слоев GaMnAs, дополнительно легированных бериллием, для кристаллических осей [110] и [1͞10], которые в недеформированной структуре GaAs являются эквивалентными. Показано, что при напряженности поля H > 2000 Э анизотропия проявляется в различиях температурной зависимости наклона линейного участка магнетосопротивления, измеренного вдоль различных кристаллических осей. Показано, что наблюдаемая при данных значениях H анизотропия может являться следствием наличия в объеме эпитаксиального слоя пространственно-ориентированных структур, возникающих вследствие неоднородного распределения примеси марганца в растущем эпитаксиальном слое. При этом такого рода пространственно-ориентированные структуры в эпитаксиальных слоях GaMnAs и GaMnAs:Be, выращенных при одинаковых режимах эпитаксии, ориентированы в одном направлении. Этот факт свидетельствует о том, что уменьшение величины механических напряжений, наблюдаемое при дополнительном легировании эпитаксиальных слоев GaMnAs примесью Be, не оказывает влияния на ориентацию такого рода структур. В то же время в области полей, меньших 2000 Э, уменьшение величины механических напряжений ведет к значительному ослаблению эффектов анизотропии магнетосопротивления в эпитаксиальных слоях GaMnAs:Be по сравнению с эпитаксиальными слоями GaMnAs, не содержащими бериллий.

Скачать электронную версию публикации