CC BY
49
Полупроводниковая спинтроника Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 350-353
УДК 537.11
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЦИРКУЛЯРНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ГЕТЕРОСТРУКТУР С КВАНТОВОЙ ЯМОЙ ІпОаАа/ОаАє И ДЕЛЬТА-СЛОЕМ Мп
© 2010 г.
М.М. Прокофьеваь3, М.В. Дорохин1, г, Ю.А. Данилов1'3
1 Научно-исследовательский физико-технический институт ННГУ им. Н.И. Лобачевского 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 3НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 27.05.2010
Приведены результаты исследований циркулярно-поляризованной электролюминесценции светоизлучающих диодов на основе гетероструктур InGaAs/GaAs, содержащих 5<Мп>-легированный слой в GaAs барьере. Целью работы было определение диапазона рабочих температур диодов, при которых наблюдается эффективная электролюминесценция и циркулярная поляризация излучения в магнитном поле. Эффект циркулярной поляризации излучения наблюдается при температурах ниже 35 К, что соответствует температуре Кюри исследованных структур.
Ключевые слова: ферромагнитный полупроводник, электролюминесценция, циркулярная поляризация.
Введение
Спиновый светоизлучающий диод (ССИД) является одним из ключевых приборов полупроводниковой спинтроники [1]. Особенностью работы ССИД является испускание циркулярно-поляризованного электролюминесцентного излучения, знак поляризации которого зависит от ориентации спинов носителей заряда, инжектированных из намагниченного ферромагнитного слоя [1, 2]. К текущему моменту известно о нескольких вариантах построения ССИД с использованием различных материалов ферромагнитного инжектора - источника ориентированных по спину носителей [1-4]. Одним из перспективных видов ССИД является диод, в котором ориентация спинов происходит не в результате спиновой инжекции, а непосредственно в активной области. В настоящей работе было проведено исследование новой структуры спинового светоизлучающего диода, в котором активным (излучающим) слоем является квантовая яма (КЯ) InGaAs, а в качестве инжектора дырок используется комбинация барьера Шотт-ки Au/GaAs и 5<Мп>-легированного слоя. Наличие ферромагнитных свойств в дельта-легированном марганцем GaAs отмечено ранее в работах [5, 6]. Ранее нами было показано [7], что обменное взаимодействие ионов Мп в 5-слое и дырок в квантовой яме приводит к спиновой поляризации последних и циркулярной поляризации рекомбинационного излуче-
ния. С другой стороны, использование 5-легирования атомами Мп в структурах светоизлучающих диодов позволяет пространственно разделить носители заряда в активной области и ионы магнитной примеси в GaAs.
Дальнейшие исследования включают в себя определение и увеличение диапазона рабочих температур спиновых светоизлучающих диодов, изготовленных на основе GaAs. Известно, что ограничением сверху по температуре работы светодиодов является термический выброс носителей заряда из активной области [8]. Для спиновых СИД дополнительным ограничением по температуре является температура Кюри ферромагнитного слоя, выше которой спиновая поляризация носителей и циркулярная поляризация люминесценции практически отсутствуют. В настоящей работе рассмотрены оба перечисленных фактора: термический выброс и снижение степени поляризации при температурах выше температуры Кюри.
Методика изготовления структур
Структуры для исследований были изготовлены с помощью трёхступенчатого метода эпитаксиального выращивания. Буферный слой
GaAs толщиной 0.5 мкм, легированный Si до
1п17 -3 о
концентрации п ~ 10 см , и 3 нм слой нелегированного GaAs были выращены при температуре 650°С на подложке GaAs (001) методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном
давлении. Затем 1пх0а1-хЛ8 КЯ (ширина = =10 нм; х = 0.1 - 0.25) и тонкий (<Лз = 3 нм) спей-серный слой ОаЛ8 были выращены при 550°С. На следующей стадии 5<Мп>-легированный слой и покровный слой полуизолирующего ОаЛ8 были выращены в том же реакторе при температуре 400°С посредством лазерного распыления Мп- и ОаЛ8-мишеней, соответственно. Толщина покровного ОаЛ8 составила 30 нм. Снижение температуры выращивания до 400°С позволило уменьшить «размытие» 5<Мп>-
легированного слоя и получить область, легированную Мп, толщиной до 1-2 нм (при температуре роста 400-450°С). Номинальная плотность примеси Мп в дельта-слое составила
г\ л /л 14 -2
~ 2*10 см , концентрация электрически активной примеси достигала 1.7-1013 см-2 при 300 К. Дополнительные детали технологии изготовления структур описаны в [7].
Далее на поверхность структур методом термического испарения в вакууме наносили Ли, и таким образом формировался контакт Шоттки. Базовый омический контакт формировался искровым вжиганием 8п-фольги. Этой операцией завершалось формирование светоизлучающих диодных структур. Легированные марганцем структуры обозначены как структуры М. Также были изготовлены контрольные структуры, не содержащие дельта-слоя. В этом случае квантовая яма была заращена высокотемпературным покровным слоем ОаЛ8 толщиной 40 нм (структуры А).
Методика измерений
Были проведены исследования электролюминесценции (ЭЛ) и циркулярной поляризации ЭЛ изготовленных структур в диапазоне температур 10-300 К. Измерения проводились с использованием гелиевого криостата замкнутого цикла. На барьер Шоттки подавалось прямое смещение (положительный по отношению к базе потенциал). Излучение снималось со стороны подложки. Измерение циркулярной поляризации электролюминесценции проводилось в криостате в перпендикулярном магнитном поле величиной до 0.37 Тл. Степень циркулярной поляризации ЭЛ оценивалась из соотношения Рэл = (1+ - Г)/(1+ + I-), где 1(1 ) — интенсивности компонент с правой (левой) поляризацией, полученные путём интегрирования полосы соответствующей части спектра излучения. Было обнаружено, что при подаче на образец тока величиной более 10 мА в процессе измерения происходил нагрев образца. Расширить диапазон рабочих токов оказалось возможным по-
средством использования импульсного режима. При этом на образец подаются прямоугольные импульсы длительностью 50 мкс с периодом 200 мкс. Контрольные измерения временных параметров люминесценции с использованием фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и осциллографа показали, что импульсы электролюми-несцентного излучения сохраняют прямоугольную форму при длительности до 100 нс.
Результаты и их обсуждение
Зависимости интегральной интенсивности электролюминесценции от температуры для диодов с содержанием 1п в квантовой яме х = 0.16 приведены на рис.1. В области низких температур интенсивность ЭЛ структур остается практически неизменной. При дальнейшем увеличении температуры наблюдается резкое снижение интенсивности ЭЛ, связанное с термическим выбросом носителей из КЯ [8]. Для контрольных структур температура, при которой начинается заметный спад интенсивности ЭЛ (температура гашения), ниже и спад более резкий в отличие от структур, содержащих 5<Мп>-легированный слой вблизи квантовой ямы. В отличие от контрольных структур в исследованных диодах типа М с указанным содержанием 1п электролюминесценция была зарегистрирована и при комнатной температуре.
Рис. 1. Зависимость интегральной интенсивности ЭЛ от температуры измерения для структуры с 5-слоем Мп (1) и без него (2)
Исследования ЭЛ при 10 К показали, что при введении диодов в магнитное поле излучение становится циркулярно-поляризованным, т.е. компонента излучения с поляризацией по правому кругу становится выше по интенсивности левополяризованной компоненты. Степень поляризации увеличивается с ростом магнитного
Т,К
Рис. 2. Зависимость степени циркулярной поляризации ЭЛ от температуры измерения в магнитном поле 0.37 Тл. Значение при Т = 2 К взято из работы [7]. На вставке приведена зависимость степени циркулярной поляризации излучения от величины магнитного поля
поля. На кривой Рэл(В) наблюдаются два участка: быстрого роста в полях до 0.1 Тл и более пологий участок в полях > 0.1 Тл (вставка к рис. 2). Наибольшее значение Рэл составило 9%. Температурная зависимость Рэл показана на рис. 2. В области низких температур (до ~ 20 К) было получено сравнительно высокое значение степени циркулярной поляризации, которое слабо изменяется с изменением температуры. При температуре выше 35 К значение Рэл спадает при увеличении Т и при 50 К становится примерно равным нулю.
Перейдём к обсуждению результатов. При низких температурах (< 50 К) термический выброс носителей из квантовых ям с используемым в работе содержанием 1п практически отсутствует [8]. В этом случае интенсивность ЭЛ определяется, кроме величины подаваемого на образец электрического смещения, соотношениями скоростей излучательной и безызлуча-тельной рекомбинации в КЯ. При повышении температуры (> 50 К) существенное влияние на интенсивность ЭЛ оказывает термический выброс носителей из квантовой ямы. По-видимому, в структурах, содержащих 5<Мп>-легированный акцепторный слой вблизи КЯ, вероятность термического выброса значительно ниже, чем в контрольных при одной и той же номинальной глубине квантовой ямы. Предположительно, подобное различие связано с появлением в структурах М дополнительного ограничивающего потенциала для электронов, образуемого изгибом зон в области акцепторного дельта-слоя. Согласно расчетам, приведённым в
работе [9], акцепторный дельта-слой примеси создаёт потенциальный рельеф, как показано на вставке к рис.1. При этом появляется вероятность отражения электронов, выброшенных из КЯ, от барьера, образованного дельта-слоем. Для отражённых электронов, в свою очередь, существует вероятность сбросить энергию и попасть на уровни КЯ, что и приводит к снижению температурного гашения ЭЛ. В контрольных структурах выброшенные из КЯ электроны с высокой вероятностью диффундируют к поверхности, где основным каналом рекомбинации является безызлучательная рекомбинация через поверхностные состояния. Таким образом, можно предположить, что в структурах с 5<Мп>-легированным слоем термический выброс электронов не является доминирующим механизмом температурного гашения ЭЛ. Термический выброс дырок из квантовой ямы, предположительно, не играет существенной роли в исследованных структурах, поскольку, благодаря наличию акцепторного 5<Мп>-слоя, равновесная концентрация дырок в квантовой яме есть и в отсутствие возбуждения. Согласно результатам, полученным в [10] для структур, аналогичных исследуемым, но выращенных на полуизолирующей подложке ваЛв, слоевая концентрация дырок составляет 3-1011 при 77 К и 1.7-1013 см-2 при 300 К.
Циркулярная поляризация ЭЛ-излучения диодов, как было показано ранее, обусловлена взаимодействием ионов Мп в дельта-слое и дырок в квантовой яме [7]. Взаимодействие приводит к появлению спиновой поляризации дырок. Зависимость степени циркулярной поляризации ЭЛ от температуры имеет вид, характерный для ферромагнетика с температурой Кюри (Тс) ~30 К [10]. Полученные данные хорошо согласуются с приведенными в работе [6] исследованиями магнетотранспортных характеристик, проведёнными на аналогичных структурах с 5<Мп>-слоем, не содержащих КЯ. Согласно этой работе, магнетотранспортные измерения структур показывают ферромагнитное поведение дельта<Мп>-легированных слоёв с температурой Кюри Тс ~ 30-35 К. Можно заключить, что критическая температура ~35 К, ниже которой наблюдается эффект магнитоуправляемой циркулярной поляризации ЭЛ, соответствует температуре Кюри (Тс) дельта-слоя Мп.
Заключение
Таким образом, были исследованы температурные зависимости электролюминесценции и
циркулярной поляризации излучения гетероструктур с ЫваЛв/ваЛв квантовой ямой и близкорасположенным 5<Мп>-легированным слоем в ваЛв-барьере. Использование 5<Мп>-слоя позволило увеличить диапазон рабочих температур диодов, а также дало возможность управлять спиновой поляризацией излучения структур. В ходе проведенных исследований было установлено, что для данных структур значение температуры Кюри, при превышении которой указанный эффект пропадает, составляет ~ 35 К. Дальнейшим направлением исследований является поиск возможностей повышения температуры Кюри таких структур для эффективного использования их в приборах спин-троники.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 08-02-00548а и 08-02-97038 р_поволжье_а, 10-02-00739, АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект № 2.2.2.2/4297) и СЯОГ (грант ВР4М01), Министерства образования и науки РФ (Федеральная целевая программа
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», № ГК П1279).
Список литературы
1. Nazmul A.M., Amemiya T., Shuto Y. et al. // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 95. P. 017201.
2. Zutic I., Fabian J., Das Sarma S. // Rev. Mod. Phys. 2004. V. 76. P. 323-410.
3. Holub M. and Bhattacharya P. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. R179-R203.
4. Van Dorpe P. et al. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. P. 3495-3497.
5. Myers R.C., Gossard A.C., Awschalom D.D. // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 161305.
6. Вихрова О.В., Данилов Ю.А., Дорохин М.В. и др. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. В. 14. С. 8-17.
7. Dorokhin M.V., Danilov Yu.A., Demina P.B. et. al. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 245110.
8. Bacher G., Hartmann C., Schweizer H. et al. // Phys. Rev. B. 1993. V. 47, n. 15. P. 9545-9555.
9. Nemec H., Pashkin A., Kuzel P. et al. // J. Appl. Phys. 2001. V. 90. n. 3. P. 1303-1306.
10. Шик А.Я. // ФТП. 1992. Т. 26. Вып. 7. С.1161-1181.
temperature dependence of electroluminescence circular polarization
of InGaAs/GaAs HETEROSTRUCTURES WITH A QUANTUM WELL AND A Mn DELTA-LAYER
M.M. Prokofeva, M. V. Dorokhin, Yu.A. Danilov
We report the results of our studies of circular polarized electroluminescence of light-emitting diodes on the basis of InGaAs/GaAs heterostructures containing a Mn-delta-doped acceptor layer in the GaAs barrier. The purpose of this work was to determine the diode operating temperature range where an effective electroluminescence and radiation circular polarization in the magnetic field are observed. The circular polarization effect is observed at the temperatures below 35 K, which corresponds to the Curie temperature of the structures studied.
Keywords: ferromagnetic semiconductor, electroluminescence, circular polarization.
