Диссертация (1145326), страница 56
Текст из файла (страница 56)
Подложки n-GaAs толщиной 0.4 mm имели ориентацию (100). Удельноеэлектрическое сопротивление подложек GaAs было измерено четырех-зондовым методомна постоянном токе при комнатной температуре и составило 0.93·105 Ω·cm. Подложкиn-Si толщиной 0.4 mm имели ориентацию (100) и их удельное сопротивление равнялось3.7 Ω·cm. Перед напылением пленок подложки полировались низко-энергетическим пучком ионов кислорода [344,345].
Шероховатость полированных поверхностей не превышала0.5 nm.Пленки SiO2 (Co) напылялись методом ионно-лучевого распыления с композитной кобальт-кварцевой мишени на подложки GaAs, Si и кварца, нагретых до 200◦ C. Концентрация наночастиц Co в SiO2 задавалась соотношением площадей кобальта и кварца. Составпленок определялся ядерно-физическими методами элементного анализа, использующихдейтериевые пучки, полученных в ускорителе (ПИЯФ, Гатчина, Ленинградская область).Атомное соотношение кобальта к кремнию определено из спектров обратного резерфордовского рассеяния дейтронов.
Концентрация кислорода в пленках была найдена методомядерных реакций с дейтронами при Ed = 0.9 MeV:16O +d → p + 17 O. Более подробно этаметодика изложена в [194]. Для исследованных образцов атомные концентрации кобальтаx и толщины пленок приведены в таблице 6.1. Средний размер частиц Co определялся спомощью малоуглового рентгеновского рассеяния и увеличивался с ростом x: от 2.7 nmпри x = 38 at.% до 4.5 nm при x = 85 at.%. При этих размерах частицы Co находятся воднодоменном ферромагнитном состоянии [86, 90, 134]. Образцы с высоким содержаниемCo (71, 82 и 85 at.%) при комнатой температуре демонстрируют ферромагнитное поведение, которое подтверждается наличием доменной структуры (рис.
6.5), полученной в283магнитном поле с помощью сканирующего микроскопа Solver HV-MFM (NT-MDT). Период доменной структуры для образца 5 SiO2 (Co)/GaAs с 82 at.% Co равен 3.9 µm, чтоменьше периода доменной структуры для той же самой пленки SiO2 (Co) на подложке Si(6.0 µm, образец 13). Образцы с меньшей концентрацией Co являются суперпарамагнитными, т.е. в отсутствии магнитного поля ориентация спинов ферромагнитных частиц Coхаотическая.Пленки TiO2 (Co) были выращены методом ионно-лучевого распыления послойно сраздельных мишеней TiO2 и кобальта.
В отличии от SiO2 (Co), гранулированная пленкаTiO2 (Co) имела слоистую островковую структуру. Первым слоем, осажденным на подложку GaAs, был слой островков Co. Было напылено 10 слоев островков Co и 10 слоевдвуокиси титана: (Co/TiO2 )10 . Толщины островкового слоя для всех образцов были одинаковыми и составляли 2.7 nm. Толщины слоев TiO2 для исследованных образцов былиразными и, соответственно, уменьшались с увеличением содержания Co. Состав пленокопределялся ядерно-физическими методами элементного анализа и методом рентгеновского анализа.
Для исследованных образцов содержание Co x и общая толщина структурыTiO2 (Co) приведены в таблице 6.1. Для сравнения характеристик гетероструктур с гранулированными пленками были также напылены сплошные пленки металлического Co наподложки GaAs.Удельное сопротивление пленок SiO2 (Co) измерялось четырех-зондовым методом напостоянном токе при комнатной температуре на структурах SiO2 (Co)/ кварц. С увеличением концентрации Co сопротивление пленок SiO2 (Co) уменьшалось от 1.46·102 Ω·cm (38at.%) до 1.1 Ω·cm (82 at.%).ЭкспериментИсследования электронного транспорта и магнитосопротивления проводились на структурах, представленных в Таблице 1. Вольт-амперные зависимости при комнатной температуре для структур SiO2 (Co)/GaAs и TiO2 (Co)/GaAs до развития лавинного процессав GaAs показаны на рис.6.6.
Один контакт находился на полупроводниковой подложке, другой – на гранулированной пленке. Размеры образцов составляли 3 × 3 × 0.4 мм.В направлении тока размер образцов равнялся 0.4 мм. Для структур SiO2 (Co)/GaAs сосредним содержанием Co (x = 45 - 71 at.%), образца TiO2 (Co)/GaAs с концентрацией Cox = 55 at.% и структур SiO2 (Co)/Si с содержанием Co x = 38 - 54 at.% вольт-амперныезависимости являются зависимостями диодного типа. Структуры SiO2 (71 at.% Co)/Si иTiO2 (Co)/GaAs, SiO2 (Co)/GaAs с низким и высоким содержанием кобальта (38, 39, 82 и85 at.% Co для SiO2 (Co)/GaAs и 34, 76 at.% Co для TiO2 (Co)/GaAs) имеют нелинейныевольт-амперные характеристики, промежуточные между диодными и омическими зависимостями. Вольт-амперные зависимости структур SiO2 (82 at.% Co)/Si и Co/GaAs близ-284Рис.
6.5: Доменная структура, полученная методом сканирующей магнитной микроскопиина образцах с пленкой SiO2 (Co) с 82 at.% Co (a) на GaAs подложке (образец 5) и (b) наSi подложке (образец 13). (c) Влияние магнитного поля на доменную структуру образца13 SiO2 (Co)/Si с 82 at.% Co.285Таблица 6.1: Свойства пленок SiO2 (Co) и TiO2 (Co), напыленных на GaAs, Si и кварцевыеподложки.NКонцентрация CoТолщинаx (at.%)h (nm)SiO2 (Co)/GaAs1388624581354904719558295639450760520885600SiO2 (Co)/Si93886104581115490127195138295SiO2 (Co)/кварц14388601545810165490017719501882950TiO2 (Co)/GaAs193445205540217635286ки к зависимостям омического типа. При положительном напряжении, подаваемом наполупроводниковую подложку, электроны инжектируются из гранулированной пленки вполупроводник. Для структур с диодными вольт-амперными характеристиками при положительном напряжении плотность тока j велика.
При напряжении U = 90 V, когда вGaAs развивается лавинный процесс, плотность тока достигает значений 6.0·10−2 A/cm2(образец 4). Если приложенное напряжение U на полупроводниковой подложке отрицательно, электроны дрейфуют из полупроводника в пленку и плотность тока мала. Следуетзаметить, что для образцов SiO2 (Co)/GaAs и TiO2 (Co)/GaAs удельное сопротивление подложки GaAs больше удельного сопротивления пленки и приложенное напряжение в основном падает на полупроводниковую подложку. Низкие значения удельного сопротивленияпленок SiO2 (Co) и TiO2 (Co) объясняются тем, что гранулированные пленки находятсявыше или в области порога перколяции. К тому же диэлектрические промежутки междунаночастицами Co малы, что приводит к низким значениям туннельного сопротивлениямежду ними.Зависимости логарифма тока инжекции при U = 35 В от обратной температуры 1/Tдля структур SiO2 (Co)/GaAs (образец 7) с xCo = 60 at.% и TiO2 (Co)/GaAs (образец 20)с xCo = 55 at.% представлены на рис.6.7.
Электроны инжектируются из гранулированной пленки в полупроводник. Величина плотности тока j нормализована относительноплотности тока jR , измеренного при комнатной температуре T = 292 K. Из представленных зависимостей видно, что при температурах T < 292 K ток инжекции для структурыSiO2 (Co)/GaAs описывается законом A1 exp(−ε1 /kT ) + A2 exp(−ε2 /kT ) с энергиями активации ε1 = 0.48 eV и ε2 = 0.19 eV. Для структуры TiO2 (Co)/GaAs ток инжекции описывается законом с активационной энергией ε = 0.071 eV в температурном диапазоне вблизикомнатной температуры. Температурная зависимость тока в SiO2 (Co)/GaAs объясняетсятем, что интерфейсная область GaAs содержит ионы кислорода, оставшиеся после процесса полировки. В связи с этим, согласно [346, 347] в дополнение к энергетическому уровнюдефектов EL2 в запрещенной зоне GaAs находятся уровни ионов кислорода с энергиямиE1 = 0.48 eV, E2 = 0.74 eV, E3 = 1.0 eV и E4 = 1.25 eV.
При комнатной температуре уровнис энергиями E2 , E3 и E4 заняты электронами и проводимость определяется температурной активацией электронов с уровня E1 . С учетом этого, часть A температурной зависимости тока в SiO2 (Co)/GaAs вблизи комнатной температуры может быть аппроксимирована законом Аррениуса с ε1 = E1 . Проводимость TiO2 (Co)/GaAs в области комнатнойтемпературы определяется энергетическим уровнем доноров ε = 0.071 eV, по-видимому,образованных на интерфейсе GaAs при взаимодействии с TiO2 (Co).На рис.
6.8 показаны температурные зависимости плотности тока j инжектированныхв полупроводник электронов для структуры SiO2 (Co)/GaAs (образец 4) с концентрациейCo x = 71 at.% при напряжении U = 70 V, когда в GaAs развился лавинный процесс.При температурах T < 300 K ток инжекции описывается температурной зависимостью287Рис. 6.6: Вольт-амперные характеристики для структур: (a) SiO2 (Co)/GaAs с концентрациями Co (1) 39 at.%, (2) 60 at.%, (3) 85 at.%, (4) 100 at.% ; (b) TiO2 (Co)/GaAs с концентрациями Co (1) 34 at.%, (2) 55 at.%, (3) 76 at.%, (4) 100 at.%.2880TiO 2 (Co) / GaAs-1lg( j / j R )A-2SiO 2 (Co) / GaAs-3-4conduction bandE1E2E4E3Bvalence band-5345-31/T ( 10 1/K)6Рис.
6.7: Температурные зависимости тока инжекции j для структур SiO2 (Co)/GaAs сконцентрацией Co 60 at.% и TiO2 (Co)/GaAs с концентрацией Co 55 at.%. Ток j нормированна ток jR при комнатной температуре. Вставка показывает энергетические уровни ионовкислорода в запрещенной области GaAs вблизи интерфейса.с вышеприведенной энергией активации ε1 = E1 = 0.48 eV. Следует заметить, что притемпературе T = 320 K в отсутствии магнитного поля ток инжекции имеет локальныйминимум.
Электронный ток инжекции, текущий из пленки в полупроводник, при T <320 K подавляется магнитным полем. Магнитное поле H равно 10 kOe и параллельноповерхности гранулированной пленки. При T > 320 K температурные зависимости токаинжекции в магнитном поле H и без поля сближаются.На рис. 6.9 показано влияние магнитного поля на вольт-амперную зависимость в случае инжекции электронов в полупроводник (прямая ветвь диодной характеристики) дляструктуры SiO2 (Co)/GaAs (образец 4) с 71 at.% Co. При U > 52 V наблюдается резкое увеличение тока благодаря процессу ударной ионизации и образованию электронной лавины.Магнитное поле подавляет лавинный процесс и он начинается при больших электрическихполях. Магнитное поле H параллельно поверхности пленки.
Для ортогональной ориентации магнитного поля влияние магнитного поля H на вольт-амперную зависимость слабееиз-за размагничивающего фактора пленки, но, тем не менее, подавление тока полем сохраняется.Зависимости относительной плотности тока j(H)/j(0) от магнитного поля H при разныхприложенныхнапряженияхприкомнатнойтемпературедляструктурыSiO2 (Co)/GaAs (образец 7) с концентрацией Co 60 at.% до развития лавинообразования289Рис. 6.8: Температурные зависимости плотности тока инжекции j для структурыSiO2 (Co)/GaAs (образец 4) с концентрацией Co 71 at.% при напряжении U = 70 V вотсутствии магнитного поля в магнитном поле H = 10 kOe. H параллельно поверхностипленки SiO2 (Co).
Сплошные линии аппроксимируют экспериментальные значения.-3Current density j (10 A / cm2 )10.000-SiO2(Co)1.0000GaAs+U5100.10015 kOe0.0100.0010.0000204060Voltage U (V)80Рис. 6.9: Вольт-амперная зависимость в случае инжекции электронов в полупроводник дляструктуры SiO2 (Co)/GaAs (образец 4) с 71 at.% Co при различных значениях магнитногополя: H = 0, 5, 10, 15 kOe. H параллельно поверхности пленки SiO2 (Co).290в полупроводнике показаны на рис.6.10.
j(H) и j(0) = j0 – плотность тока в поле H и вотсутствии магнитного поля. При отрицательных напряжениях, подаваемых на подложку GaAs, электроны дрейфуют из GaAs в пленку SiO2 (Co) и влияние магнитного поляна ток незначительно. При положительных напряжениях электроны инжектируются вGaAs и наблюдается значительное уменьшение тока с ростом H. В случае, если магнитное поле параллельно поверхности пленки, с увеличением H ток инжекции j стремится копределенному пределу – насыщению. Если магнитное поле перпендикулярно поверхности пленки, зависимость тока от магнитного поля является более слабой и не наблюдаетсяэффекта насыщения в диапазоне полей 0 - 23 kOe.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
