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, 166 28 Praha 6, Česká Republika 2) Fyzikální ústav AVČR, v.v.i., Cukrovarnická 10, 162 00 Praha 6, Česká Republika Zdenek.Sofer@vscht.cz
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
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
Elektronová struktura (Ga,Mn)N 10 N-2p Ga 0.875 Mn 0.125 N Mn-3d 5 e g t 2g Ga-4s -1 ] DOS [ev -1 0 E F -5-10 N-2p Mn-3d -8-4 0 4 E [ev] e g t 2g Ga-4s
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)
MOVPE aparatura pro depozici GaN vrstev
Koncentrace manganu v plynné fázi a Ga x Mn (1-x) N vrstvě 1.6 1.4 Theoretic conc. Solid phase Mn concentration [x*100] 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 100 200 300 400 500 H 2 flow throught (MCp)2Mn [sccm]
Koncentrační profily Mn v GaN:Mn vrstvách Ga 1-x Mn x N Mn concentration [x*100] 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 500 1000 1500 2000 0 100 200 300 400 500 Depth [nm] 6 1 2 5 6 Impl.
Vliv koncentrace manganu na strukturní vlastnosti a povrchovou morfologii GaN:Mn vrstev 16 650 14 RMS [nm] 12 10 8 6 4 2 600 550 500 450 (002) FWHM [arcsec] 0 0 100 200 300 400 500 H 2 flow throught (MCp) 2 Mn [sccm]
Vliv teploty depozice na koncentraci Mn v GaN:Mn vrstvách 0.9 Mn concentration [x*100] 0.8 0.7 0.6 0.5 900 950 1000 1050 1100 growth temperature [ C]
Vliv teploty depozice na strukturní a morfologické vlastnosti vrstev RMS [nm] 16 14 12 10 8 6 4 2 RMS FWHM (002) 900 950 1000 1050 1100 Deposition temperature [ C] 750 700 650 600 550 500 FWHM (002) [arcsec]
Fázové složení v pseudobinárním fázovém diagramu GaN-MnN x 1400 Ga 1-x Mn x N 2000 1800 Liquid T [K] 1200 1000 log(a N2 ) = 0-1 -2 T [K] 1600 1400 1200 Mn 3 GaN ζ 1000 800 800 w-gan 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 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.
Ramanova spektra Ga (1-x) Mn x N vrstev Raman intensity [a.u.] 0.1 1 x*100-0.1 x*100-0.2 x*100-0.4 x*100-1.0 x*100-0.5 thick. 2µm A 1 (TO) E 1 (TO) E 2 (high) LVM A 1 (LO) 300 400 500 600 700 800 Raman Shift [cm -1 ]
Závislost intenzity LVM (lokálních vibračních modů Mn) na koncentraci manganu a depoziční teplotě LVM mode intensity [a.u.] 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 LVM intenstiy Mn concentration 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 Mn concentration [x*100] 0.55 0.005 900 950 1000 1050 1100 Deposition temperature [ C]
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.
Závislost paramagnetického momentu na magnetickém poli pro GaN:Mn vrstvy s různou koncentrací Mn 0.030 0.025 (1) x=0.0007 (2) x=0.0024 (6) x=0.0056 (5) x=0.0094 Ga 1-x Mn x N T = 4.5 K 2S=0.033, T C =1.6K m PM [µ B / f.u.] 0.020 0.015 0.010 2S=0.018, T C =1.8K 2S=0.013, T C =0.2K 0.005 2S=0.006, T C = -3.5K 0.000 0 1 2 3 4 5 H [T]
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=0.0007 (2) x=0.0024 T = 200 K 1.2x10-3 (6) x=0.0056 (5) x=0.0094 1.0x10-3 8.0x10-4 6.0x10-4 Ga 1-x Mn x N m FM (sat)=1.10x10-3 m FM (sat)=0.60x10-3 4.0x10-4 2.0x10-4 m FM (sat)=0.35x10-3 0.0 0 1 2 3 4 5 H [T]
Magnetizační křivka GaN:Mn vrstvy 3.0x10-4 Ga 1-x Mn x N (6) - x = 0.0056 2.0x10-4 T=100 K 1.0x10-4 m FM [µ B /f.u.] 0.0-1.0x10-4 H C =115 Oe -2.0x10-4 -3.0x10-4 -1.5-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 H [T]
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. 13-20507S)