Tenké vrstvy GaN dopované přechodnými kovy

Transkript

1 Tenké vrstvy GaN dopované přechodnými kovy ZDENĚK SOFER 1) JAN LUXA 1) DANIEL BOUŠA 1) VLASTIMIL MAZÁNEK 1) MIROSLAV MARYŠKO 2) DAVID SEDMIDUBSKY 1) 1) Ústav anorganické chemie, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6, Česká Republika 2) Fyzikální ústav AVČR, v.v.i., Cukrovarnická 10, Praha 6, Česká Republika

2 Nitrid gallitý Patří mezi AIIIN nitridové polovodiče - Wurtzitová struktura - Přímý zakázaný pás (6.2 ev- AlN, 3.4 ev- GaN, 0.9 ev- InN) - Vysoká tepelná vodivost, velká chemická a tepelná stability - Transportní vlastnosti: vysoké průrazné napětí, velká mobilita elektronů - Problematické dopování - Složitý heteroepitaxní růst Aplikace: - Optoelektronika LED a LD diody - UV-Vis detektory - Výkonová rychlá elektronika - Vysokofrekvenční tranzistory

3 GaN ve spintronice - Dopování přechodnými kovy a lantanoidy - Zpracování signálu je založené na spinu elektornu - Feromagnetizmus je zprostředkován volnými nositeli náboje Potenciální aplikace: spinové tranzistory magnetické senzory paměťové prvky zdroje polarizovaného světla kvantové počítače Praktické aplikace: materiál s teplotou magnetického uspořádání (T C ) nad pokojovou teplotou

4 Elektronová struktura (Ga,Mn)N 10 N-2p Ga Mn N Mn-3d 5 e g t 2g Ga-4s -1 ] DOS [ev -1 0 E F N-2p Mn-3d E [ev] e g t 2g Ga-4s

5 A III N nitridy příprava a charakterizace MOVPE růst GaN vrstev a in-situ dopování - vliv podmínek depozice na vlastnosti GaN:Mn vrstev Implantace GaN vrstev - MOVPE růst GaN vrstev - implantované prvky: Mn, Cr, La, Sm, Eu, Dy, Gd, Tb, Tm, Lu -Vliv implantační energie a dávky na vlastnosti vrstev a jejich magnetizmus Charakterizační metody - povrchová morfologie(afm, DIC, SEM), strukturní vlastnosti (XRD, Raman) - transportní vlastnosti (rezistivita, Hallovo napětí, Ramanova spektroskopie) - chemické složení (SIMS, XPS, WDX, PIXE, XRF, RBS) - Magnetické vlastnosti (SQUID)

6 MOVPE aparatura pro depozici GaN vrstev

7 Koncentrace manganu v plynné fázi a Ga x Mn (1-x) N vrstvě Theoretic conc. Solid phase Mn concentration [x*100] H 2 flow throught (MCp)2Mn [sccm]

8 Koncentrační profily Mn v GaN:Mn vrstvách Ga 1-x Mn x N Mn concentration [x*100] Depth [nm] Impl.

9 Vliv koncentrace manganu na strukturní vlastnosti a povrchovou morfologii GaN:Mn vrstev RMS [nm] (002) FWHM [arcsec] H 2 flow throught (MCp) 2 Mn [sccm]

10 Vliv teploty depozice na koncentraci Mn v GaN:Mn vrstvách 0.9 Mn concentration [x*100] growth temperature [ C]

11 Vliv teploty depozice na strukturní a morfologické vlastnosti vrstev RMS [nm] RMS FWHM (002) Deposition temperature [ C] FWHM (002) [arcsec]

12 Fázové složení v pseudobinárním fázovém diagramu GaN-MnN x 1400 Ga 1-x Mn x N Liquid T [K] log(a N2 ) = T [K] Mn 3 GaN ζ w-gan x Mn x Mn Mn 6 N 4 Rozpustnost Mn v Ga x Mn (1-x) N pro různé aktivity dusíku Fázový diagram pseudobinarního systému GaN - MnN x.

13 Ramanova spektra Ga (1-x) Mn x N vrstev Raman intensity [a.u.] x* x* x* x* x* thick. 2µm A 1 (TO) E 1 (TO) E 2 (high) LVM A 1 (LO) Raman Shift [cm -1 ]

14 Závislost intenzity LVM (lokálních vibračních modů Mn) na koncentraci manganu a depoziční teplotě LVM mode intensity [a.u.] LVM intenstiy Mn concentration Mn concentration [x*100] Deposition temperature [ C]

15 Magnetické vlastnosti Koexistence dvou magnetických fází : Ferromagnetické a Paramagnetické. T c a saturovaný moment paramagnetické fáze vypočten z Brillouinova fitu magnetizace. Ferromagnetická fáze: saturovaný moment nezávislý na Ferromagnetická fáze: saturovaný moment nezávislý na teplotě. T c vyšší než pokojová teplota.

16 Závislost paramagnetického momentu na magnetickém poli pro GaN:Mn vrstvy s různou koncentrací Mn (1) x= (2) x= (6) x= (5) x= Ga 1-x Mn x N T = 4.5 K 2S=0.033, T C =1.6K m PM [µ B / f.u.] S=0.018, T C =1.8K 2S=0.013, T C =0.2K S=0.006, T C = -3.5K H [T]

17 Závislost feromagnetického momentu na magnetickém poli pro GaN:Mn vrstvy s různou koncentrací Mn m FM [µ B / f.u.] 1.4x10-3 (1) x= (2) x= T = 200 K 1.2x10-3 (6) x= (5) x= x x x10-4 Ga 1-x Mn x N m FM (sat)=1.10x10-3 m FM (sat)=0.60x x x10-4 m FM (sat)=0.35x H [T]

18 Magnetizační křivka GaN:Mn vrstvy 3.0x10-4 Ga 1-x Mn x N (6) - x = x10-4 T=100 K 1.0x10-4 m FM [µ B /f.u.] x10-4 H C =115 Oe -2.0x x H [T]

19 Závěr 1) Rozdíl mezi koncentrací Mn v plynné fázi a koncentraci v deponovaných GaN:Mn vrstvách. 2) Dopování GaN vrstev manganem má pozitivní vliv na povrchovou morfologii. 3) Jako optimální depoziční teplota bylo nalezeno 1000 C - kompromis mezi koncentrací Mn a kvalitou deponovaných vrstev. 4) Koexistence malého feromagnetického momentu spolu s dominantním paramagnetizmem. 5) Dobrý soulad mezi koncentrací Mn zjištěného chemickými metodami (EDS, SIMS) a magnetickými měřeními (SQUID). 6) Ramanova spektra ukazují přítomnost lokálních vibračních modů Mn v GaN struktuře, které indikují přítomnost vakancí. Intenzita těchto pásů koreluje s koncentrací Mn v GaN:Mn vrstvě. Práce byla podpořena GAČR (projekt č S)