Изготовление лабораторных образцов магниторезистивных диодов p-GaMnAs/(In,Ga)As/n-GaAs с применением импульсного лазерного отжига или ионной имплантации

Объектами НИР являются модельные образцы GaAs, легированного переходными металлами (Mn) с включениями второй ферромагнитной фазы (кластерами), изготовленные методом ионной имплантации или импульсного лазерного нанесения в вакууме и последующих отжигов. Целью проекта является сделать управляемым процесс образования кластеров и их дальнейшее модифицирование вплоть до растворения в матрице основного ферромагнитного полупроводника (GaMnAs). В результате будет продемонстрирована возможность использования разработанных способов управления фазовым составом слоев GaAs, легированных переходными элементами, в лабораторной технологии получения магниторезистивных диодов и детекторов циркулярно-поляризованного излучения В ходе выполнения второго этапа НИР в соответствии с техническим заданием были разработаны и изготовлены модельные образцы структур магниторезистивного диода со слоем ферромагнитного полупроводника GaMnAs/(In,Ga)As/GaAs (p‒i‒n диоды), последовательное сопротивление которых зависит от приложенного внешнего магнитного поля. Изучались два типа диодных структур со слоем p-GaMnAs: а) получение слоя p-GaMnAs реализуется в результате облучения ионами марганца монокристаллических пластин n+-GaAs и последующих обработок (быстрый термический отжиг, импульсный лазерный отжиг, комбинированный отжиг (сочетание быстрого термического и импульсного лазерного отжигов); б) получение слоя p-GaMnAs толщиной около 40‒50 нм реализуется с использованием импульсного лазерного нанесения на поверхность буферного слоя слаболегированного кремнием InxGa1-xAs (xIn ~ 0.15), сформированного методом МОС-гидридной эпитаксии на подложке n+-GaAs (100), и последующих обработок (быстрый термический отжиг, импульсный лазерный отжиг, комбинированный отжиг (сочетание быстрого термического и импульсного лазерного отжигов). Лабораторные образцы указанных диодов представляли собой меза-структуры диаметром 500 мкм. При их получении была использована химическая подготовка, включающая в себя удаление оксидов марганца с поверхности (образующихся при отжигах), формирование омического контакта к p-GaMnAs на основе TiPdAu методом электронно-лучевого испарения в вакууме, фотолитографию и химическое травление металлических и полупроводниковых слоев. Омический контакт со стороны подложки формировался искровым вжиганием оловянной фольги. Исследовались ВАХ, магниторезистивный эффект и его зависимость от температуры и напряжения смещения. Обнаружено, что диодные структуры p-GaMnAs/n+-GaAs, изготовленные с использованием ионной имплантации и последующих отжигов (БТО и комбинированного отжига) демонстрируют низкие (вплоть до величины 10-9 А при напряжении смещения ‒2 В) темновые обратные токи в диапазоне температур измерений от 10 до 300 К. Исследования магнитополевых зависимостей сопротивления изготовленных диодов при положительном смещении в температурном диапазоне от 10 до 300 К выявили эффект отрицательного магнетосопротивления, связанный с уменьшением рассеяния носителей заряда вследствие ферромагнитного упорядочения в слое GaMnAs. В случае диодов, изготовленных с применением метода импульсного лазерного нанесения и технологий быстрого термического отжига и/или импульсного лазерного отжига, получены аналогичные результаты. Показана возможность детектирования циркулярно-поляризованного излучения (ЦПИ) с использованием изготовленных магниторезистивных диодов. Рекомендации по внедрению: результаты работы предназначены для использования в перспективных разработках оптической и спиновой электроники в отраслевых НИИ, а также для исследования фундаментальных спин-зависимых явлений в университетских лабораториях и институтах РАН (ИФМ РАН, ИФТТ РАН, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН). Область применения: микро- и наноэлектроника. Значимость работы состоит в развитии технологий получения ферромагнитных полупроводников (A3,Mn)B5 с кристаллической решеткой сфалерита, которые позволяли бы эффективно управлять их свойствами (повышенная температура Кюри, кристаллическое совершенство и фазовый состав) и обеспечивали бы их успешное приборное применение. В частности, полученные материалы являются перспективными для применения в качестве инжектора поляризованных по спину электронов в спиновых светоизлучающих диодах и магниторезистивных элементах.