Ферромагнетизм при комнатной температуре полупроводников на основе кремния и диоксида титана (1105056), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Среди публикаций 7 статей в изданиях изперечня ВАК.Личный вкладСостоит в исследовании вариантов синтеза ферромагнитных полупроводников,разработке системы стабилизации технологического процесса и получении такихматериалов, измерении электрических характеристик образцов, обработке данныхмагнитометрии и РФЭС, анализе, интерпретации полученных данных и подготовкенаучных публикаций. Основные расчеты в работе выполнены авторомсамостоятельно.Рентгеновские фото-электронные исследования выполнялись совместно с д.х.н.Л.В.
Яшиной и к.ф.-м.н. Е.А. Скрылевой. Рентгеновский анализ проведен д.ф.-м.н.В.Т. Бубликом и к.ф.-м.н. К.Д. Щербачевым. Синхротронные исследованияпоглощения рентгеновского излучения проведены к.ф.-м.н. А.Г. Смеховой. Данные6магнитных измерений получены в совместной работе с МГУ им. М.В. Ломоносовад.ф.-м.н. Н.С.
Перовым и аспирантами А.С. Семисаловой и Л.Ю. Фетисовым.Работа поддержана:– Грантом НИТУ «МИСиС» «Проведение фундаментальных исследований врамках программы создания и развития НИТУ «МИСиС».– Федеральной целевой научно-технической программой: “Исследования иразработки по приоритетным направлениям развития науки и техники (2002-2006гг.)”(Госконтракт №16.513.11.3088).– Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадрыинновационной России» на 2009-2013гг.» (ГК №14.740.11.0696).– РФФИ 07-02-00327а– РФФИ 10-02-00804аРезультаты работы защищены ноу-хау ОАО «Гиредмет» и патентом России.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав с основными результатами и выводами,заключения и списка цитируемой литературы из 187 наименований. Общий объемдиссертации составляет 139 страниц, содержащих 61 рисунок и 9 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВведениеОписывает актуальность темы, указана научная новизна и практическаяценность результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту,приведены сведения об апробации работы, а также о структуре и содержаниидиссертации.Потребность реализации ранее уже разработанных конструкций приборовспиновой электроники выдвигает задачу создания необходимых полупроводниковыхматериалов, обладающих ферромагнитными свойствами при температуре применения(равной или существенно выше комнатной) и способных встраиваться в ужесуществующие технологии изготовления электронных приборов.
Концентрированныемагнитные полупроводники и РМП были разработаны для решения проблемыэффективной спиновой инжекции через границу ферромагнетик/немагнитныйполупроводник и обеспечения лучшей интегрируемости с современноймикроэлектроникой. Описаны существующие области спинтроники:- структуры на основе ферромагнитных и антиферромагнитных металлов, в томчисле металл-полупроводник;- концентрированные магнитные полупроводники, содержащие магнитные ионыв высоких концентрациях в подрешетке кристалла;- разбавленные магнитные полупроводники, проявляющие ферромагнитноеупорядочение в обычных полупроводниках при легировании ионами переходныхметаллов.7Настоящая работа выполнена с целью исследования возможности получениябескластерного ферромагнитного полупроводника на основе Si и TiO2, пригодногодля применения в качестве материала спиновых инжекторов.Первая главаПредставляет аналитический обзор литературы, посвященный созданиюразбавленных магнитных полупроводников как новых материалов спинтроники.
Вобзоре в порядке хронологии получения этих материалов рассмотрены работы потематике создания РМП на основе соединений AIIIBV, элементарныхполупроводников IV группы, широкозонных оксидов и нитридов. Описаныпотенциальные преимущества создания РМП для каждой группы материалов.Проблема эффективной спиновой инжекции носителей из ферромагнитного металла вполупроводник остается нерешенной; при этом уже продемонстрированы приборысовмещающие магнитные и электронные свойства в AIIIBV полупроводниках.Основной недостаток для применения уже разработанных структур спиновойэлектроники на основе AIIIBV (GaMnAs, InMnAs) — это низкая рабочая температураприборов, определяемая сохранением их магнитных свойств, и не превышающая 172К.
В совокупности с высокой стоимостью процессов получения таких структурметодом молекулярно-лучевой эпитаксии перспективным представляется создатьмагнитный полупроводник на основе полупроводников IV группы или сиспользованием более дешевых технологий получения и легирования оксидов. Вданной главе отмечено, что проанализированные данные публикаций о наблюденииферромагнетизма в Si и Ge имеют противоречивость.
В качестве источниковферромагнитного сигнала рассматриваются: магнитные включения, коллективнаянамагниченность дефектов, упорядочение ионов примеси через носители заряда,перколяционная намагниченность ионов. Высокая химическая активность Si и малаярастворимость в нем магнитных примесей не исключает образования включенийсилицидов на основе легирующего магнитного элемента, однако по известным дляMn данным ТК этих соединений ниже комнатной температуры. Рассмотрены такжеизвестные результаты, когда методы радиационного облучения приводят к высокойконцентрации дефектов и, в некоторых случаях, гистерезисному характерунамагничивания для нелегированных полупроводников.
Повышение температурыКюри наблюдаемое при переходе к широкозонным материалам было обоснованоранее в теоретических работах и экспериментально. Уменьшение расстояния междуионами решетки в широкозонных соединениях ожидаемо должно приводить ксильному увеличению p-d гибридизации и в итоге к увеличению p-d обменноговзаимодействия. Исходя из концепции РМП, обмен между магнитными ионами иносителями заряда должен происходить эффективно при высокой концентрациипоследних, что также легче реализовать при использовании собственных дефектов всоединении без дополнительного легирования электрически-активными примесями.Также рассматриваются особенности переноса заряда в оксидных полупроводниках,8тесно связанные с процессом локализации вблизи собственных дефектов,являющимся основой для объяснения намагниченности оксидных РМП в рамкахтеории связанного магнитного полярона при низких концентрациях носителей заряда.В конце главы приводятся основные модели, используемые для описаниямагнитного взаимодействия в РМП (прямой обмен, РККИ-обмен, связанныймагнитный полярон и др.).Приведенный анализ литературы позволяет сделать следующие заключения: недостатком металлической спинтроники является невозможность полученияэффекта усиления сигнала и большие потери спиновой поляризации приинжекции в полупроводник; наибольшую перспективность в функциональности и совместимости ссуществующей технологией электроники демонстрируют РМП с температуройКюри выше комнатной; ни одна из моделей, описывающих ферромагнетизм в РМП, не имеет широкойприменимости, можно говорить лишь о наиболее адаптивной модели кконкретному материалу; широкозонные полупроводники демонстрируют множество магнитооптических эффектов и имеют потенциально более высокую точку Кюри.Основной проблемой для реализации на практике концепции РМП являетсяполучение материала с температурой Кюри, по крайней мере, не ниже комнатной исоответствие технологии получения материала низкой стоимости изготовления наоснове распространенных методов получения.На основании анализа литературных данных в заключении первой главысформулированы цель диссертационной работы и основные задачи исследования.Вторая главаОписывает экспериментальные исследования структуры и ферромагнитногоупорядочения в Mn-имплантированном кремнии (стандартных промышленныхпластинах кремния), выращенного методом Чохральского и подвергнутого ионнойимплантации 55Mn+ с различными дозами от 5х1015 до 5х1016 см-2.
Для определениязависимости намагниченности от исходной концентрации носителей заряда и типапроводимости были взяты пластины Si разных типов: КЭС 0,01; КЭФ 4,5; КДБ 0,005;КДБ 10. Имплантация проводилась на установке Extrion 200-1000 (фирмы Varian) приэнергии ионов 195 кэВ в направлении Si <111>. В процессе облучения пластиныподогревались при 350 ºС.
После имплантации часть образцов подвергаласьимпульсному отжигу при tº = 850 ºС в течение 5 мин. для устранения аморфизацииматериала после имплантации. Также для сравнения часть экспериментов былавыполнена при имплантации ионов 59Co+. Магнитные характеристики определялисьметодом вибрационной магнитометрии на оборудовании LakeShore 7400 счувствительностью 1х10-6 эме. Во всех полученных образцах наблюдалось9ферромагнитное упорядочение при комнатной температуре. Результаты измеренийобразцов представлены в таблице 1.Таблица 1.
Намагниченность насыщения и параметры получения образцов.Si p-типа,удельное сопротивление, Ом∙смДоза имплантации,см -2100,005Si n-типа,удельное сопротивление, Ом∙см4,50,01Намагниченность насыщения, ГсMn, 1х10150,3-0,20Mn, 5х10150,50,10,40,3Со, 5х10150,50,10,20,4Mn, 1х10160,20,7-0,2Mn, 5х10160,60,50,41,2Представленные в таблице 1 данные демонстрируют отсутствие регулярнойзависимости величины удельной намагниченности насыщения от типа проводимостии удельного сопротивления кремниевых пластин, а также от имплантируемойпримеси (Mn или Co). При этом имелось незначительное увеличениенамагниченности с дозой имплантации: намагниченность увеличивалась в 3 раза сувеличением дозы имплантации в 50 раз. Восстановление кристаллической структурыSi после импульсного вакуумного отжига только в незначительной степениувеличивало среднее значение удельной намагниченности, как показано в таблице 2.При этом выдержка образцов при 1000 ºС в ходе длительного вакуумного отжига втечение 5 ч приводила к полному исчезновению намагниченности.Таблица 2.
Влияние постимплантационного вакуумного отжига.Параметрыотжига850 °С,5 мин1000 °С,5чТиппроводимости Siρ, Ом∙смп4,5пМS, ГсДоза, см-2ПослеимплантацииПослеотжига5х1015 (Мn)0,40,44,55х1016 (Мn)0,40,8п0,015х1016 (Мn)1,21,1p105х1016 (Мn)0,60,9p0,0055х1016 (Мn)0,50,5п4,55х1016 (Мn)0,80р0,0055х1016 (Мn)0,50Для выявления влияния электрического поведения примеси и ее распределенияпо глубине легированного слоя Si использовались метод ВИМС и измерениеэлектрического сопротивления растекания на установке ASR-100С. Рассчитанные10профили измерения удельного сопротивления как непосредственно послеимплантации переходных элементов, так и на отожженных образцах в пластинесопоставлялись с профилями распределения примеси. Для некоторых образцовнаблюдалось повышение сопротивления, которое нами связывается с образующимисяв запрещенной зоне при легировании глубокими уровнями Mn за счет компенсацииосновной примеси.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
