Диссертация (1145326), страница 57
Текст из файла (страница 57)
На рис.6.11 показаны зависимости относительной плотности тока j/j0 от магнитного поля H, касательного к пленке, при разныхприложенных напряжениях для структуры TiO2 (Co)/GaAs (образец 20) с концентрациейCo 55 at.%. По сравнению с SiO2 (Co)/GaAs, структура TiO2 (Co)/GaAs дает более слабуюзависимость тока инжекции от магнитного поля.
Сравнивая кривые, представленные нарис.6.9, 6.10 и 6.11, можно придти к выводу, что магнитное поле подавляет ток инжекциипри любых приложенных напряжениях, но при развитии лавинного процесса в полупроводнике подавление тока происходит значительно сильнее.По аналогии с коэффициентами GMR и TMR в [268,271–284], определим коэффициентинжекционного магнитосопротивления IMR соотношением [99, 100, 161, 162]IMR =R(H) − R(0)j(0) − j(H)=,R(0)j(H)(6.13)где R(0) и R(H) сопротивления структуры гранулированная пленка / полупроводник безполя и в магнитном поле H, соответственно. Зависимости коэффициента IMR от магнитного поля H для структур SiO2 (Co)/GaAs (образцы 6, 7, 8) и TiO2 (Co)/GaAs (образцы19, 20, 21) при приложенном напряжении U = 35 V до развития лавинного процесса представлены на рис.6.12 для случая магнитного поля, касательного к пленке.
Для структуры SiO2 (Co)/GaAs с концентрацией Co 60 at.% наблюдается эффект насыщения IMR прибольших H. При напряжении U = 50 V в магнитном поле H = 23 кЭ коэффициент IMRдля этой структуры достигает значения 52 (5200 %). Стоит отметить, что эффект магнитосопротивления для чистых образцов GaAs (без пленки SiO2 (Co)) в этих магнитныхполях не наблюдался.Коэффициент магнитосопротивления IMR для структуры SiO2 (Co)/GaAs (образец 4)с 71 at.% концентрацией Co при развитии лавинного процесса в полупроводнике при различных приложенных напряжениях показан на рис.6.13.
Лавинный процесс начинаетсяпри U = 52 V. Зависимости сняты при комнатной температуре (21◦ C) в виде функцииот магнитного поля H параллельного пленке. Коэффициент IMR увеличивается с ростомприложенного напряжения. При напряжении U = 90 V для этой структуры значение IMRдостигает 1000 (105 %) в поле H = 19 kOe. Эта величина на два - три порядка выше291Рис.
6.10: Относительные изменения тока инжекции j/j0 от магнитного поля H при разныхприложенных напряжениях для структуры SiO2 (Co)/GaAs (образец 7) с концентрациейCo 60 at.% (a) в касательном и (b) в перпендикулярном к пленке магнитных полях.292Рис. 6.11: Относительные изменения тока инжекции j/j0 от магнитного поля H при разныхприложенных напряжениях для структуры TiO2 (Co)/GaAs (образец 20) с концентрациейCo 55 at.% в касательном магнитном поле.максимальных величин гигантского магнитосопротивления (GMR) в магнитных металлических мультислойных пленках и туннельного магнитосопротивления (TMR) в магнитныхтуннельных структурах.Коэффициенты IMR для структур SiO2 (Co)/GaAs (образцы 1-5) в зависимости от концентрации Co x в касательном поле H = 20 kOe при приложенном напряжении U = 60 Vдля противоположных направлений тока представлены на рис.6.14.
Значение IMR имеетмаксимум для структур с концентрациями Co в диапазоне [54 - 71 at.%], когда электроныинжектируются из пленки SiO2 (Co) в GaAs. IMR уменьшается для структур с высокими(x > 71 at.%) и низкими (x < 54 at.%) концентрациями Co. Для противоположного направления тока, когда электроны дрейфуют из полупроводника в пленку SiO2 (Co), эффектмагнитосопротивления значительно менее выражен.Как можно видеть из рис.6.13 и 6.14, для структур SiO2 (Co)/GaAs IMR эффект достигает больших значений при комнатной температуре.
В противоположность этому, дляструктур SiO2 (Co)/Si значения магнитосопротивления очень малы, а собственное магнитосопротивление пленок SiO2 (Co) к тому же имеет отрицательные величины (рис.6.15).Магнитосопротивление (MR) пленок SiO2 (Co) определялось соотношением, аналогичнымсоотношению (6.13). Для структур SiO2 (Co)/Si (образцы 9-13) электроны инжектировались из гранулированной пленки в подложку Si. Принимая во внимание низкие значенияудельного сопротивления Si, эксперименты проводились при напряжении U = 3 V. Соб-293Рис.
6.12: Коэффициент инжекционного магнитосопротивления IMR при комнатной температуре в зависимости от магнитного поля H при напряжении U = 35 V для структур:(a) SiO2 (Co)/GaAs с концентрациями Co 39 at.%, 60 at.% и 85 at.%; (b) TiO2 (Co)/GaAs сконцентрациями Co 34 at.%, 55 at.% и 76 at.%. H параллельно поверхности пленки.294Рис. 6.13: Коэффициент инжекционного магнитосопротивления IMR в зависимости отмагнитного поля H при комнатной температуре для структуры SiO2 (Co)/GaAs (образец4) с 71 at.% Co при развитии лавинного процесса.
Приложенные напряжения U = 60, 70,80, 90 V. Поле H параллельно поверхности пленки. Сплошные линии аппроксимируютэкспериментальные значения.ственное магнитосопротивление пленок SiO2 (Co) измерялось четырех-зондовым методомна постоянном токе на структурах SiO2 (Co) / кварц (образцы 14-18) в current-in-planeгеометрии при напряжении U = 60 V при комнатной температуре.Температурные зависимости магнитосопротивления могут дать полезную информацию о природе магниторезистивного эффекта. На рис.6.16 представлены температурныезависимости собственного магнитосопротивления пленок SiO2 (Co) с низким (x = 38 at.%,образец 14) и высоким (x = 71 at.%, образец 17) содержанием Co и зависимость магнитосопротивления структуры SiO2 (Co, 71 at.%)/Si (образец 12) при инжекции электроновв полупроводник.
Эксперименты проводились при напряжении U = 60 V в случае пленок SiO2 (Co) и при U = 3 V для структур SiO2 (Co)/Si. Магнитное поле H = 10 kOeбыло параллельно поверхности пленки. Как можно заметить, с уменьшением температуры наблюдается рост абсолютного значения собственного магнитосопротивления пленокSiO2 (Co). Для структур SiO2 (Co)/Si уменьшение температуры приводит к смене знакамагнитосопротивления.Температурные зависимости IMR для структур SiO2 (Co)/GaAs существенно отличаются от вышеприведенных температурных зависимостей структур SiO2 (Co)/Si и пленокSiO2 (Co). Они имеют характер температурных пиков (рис.6.17 и 6.18).
Температурнаялокализация пиков зависит от концентрации Co и может сдвигаться приложенным элек295Рис. 6.14: Коэффициент магнитосопротивления IMR при комнатной температуре в зависимости от концентрации Co x для структур SiO2 (Co)/GaAs в поле H = 20 kOe при напряжении U = 60 V для противоположных направлений тока. (1) Электроны инжектируютсяиз пленки SiO2 (Co) в GaAs, (2) электроны дрейфуют из GaAs в пленку. H параллельно поверхности пленки SiO2 (Co). Сплошные линии аппроксимируют экспериментальныезначения.Рис.
6.15: Магнитосопротивление MR в зависимости от концентрации Co x для (1) структур SiO2 (Co)/Si и для (2) пленок SiO2 (Co) в касательном магнитном поле H = 20 kOe.Сплошные линии – аппроксимация экспериментальных значений.2960.010.003MR-0.01-0.021-0.032-0.04-0.05160200240280320Temperature T (K)360Рис. 6.16: Температурные зависимости магнитосопротивления MR для пленок SiO2 (Co)(1) с x = 38 at.% Co, (2) с x = 71 at.% Co и (3) для структуры SiO2 (Co)/Si с x = 71 at.%Co в касательном магнитном поле H = 10 kOe.трическим полем. На рис.6.17 показаны температурные зависимости IMR для структурыSiO2 (Co)/GaAs (образец 4) с 71 at.% Co при различных напряжениях для случая, когдаэлектроны инжектируются из пленки в подложку GaAs.
Увеличение напряжения U приводит к сдвигу пика в сторону больших температур. С ростом напряжения начинает развиваться лавинный процесс и происходит увеличение амплитуды пиков. Для структурыSiO2 (Co)/GaAs с меньшим содержанием Co (x = 38 at.%, образец 1, рис.6.18) температурный пик IMR имеет большую ширину. Если электроны дрейфуют из GaAs в пленкуSiO2 (Co), пик IMR локализован в большей температуре и его амплитуда мала.6.3.2Теоретическая модельОбъяснение эффекта инжеционного магнитосопротивления (IMR эффекта) основанона теоретической модели спин-зависимого потенциального барьера, который образуется в полупроводнике в обогащенном слое вблизи интерфейса с гранулированной пленкой [161, 162]. Магнитное поле увеличивает высоту барьера, что приводит к уменьшениюпротекающего тока и к IMR эффекту.При развитии лавинного процесса в полупроводнике роль спин-зависимого потенциального барьера повышается в результате механизма положительной обратной связи, присущей лавинному процессу, и образованию электрического доменного слоя с большой напряженностью электрического поля вблизи области барьера.
По этой причине величинымагнитосопротивления становятся больше. В результате ударной ионизации, запускаемой29710070 V80IMR60402040 V50 V 60 V0160200240280320Temperature T (K)360Рис. 6.17: Температурные зависимости инжекционного магнитосопротивления IMR дляструктуры SiO2 (Co)/GaAs с x = 71 at.% Co в касательном магнитном поле H = 10 kOeпри приложенных напряжениях U = 40, 50, 60, 70 V. Сплошные линии – теоретическиекривые.43IMR12120160200240280320Temperature T (K)360Рис. 6.18: Температурные зависимости магнитосопротивления IMR для структурыSiO2 (Co)/GaAs с x = 38 at.% Co в касательном магнитном поле H = 10 kOe при напряжении U = 60 V. (1) Электроны инжектируются из пленки SiO2 (Co) в GaAs, (2) электроныдрейфуют из GaAs в гранулированную пленку.
Сплошные линии – теоретические кривые.298прошедшими через барьер электронами, образуются дырки, которые двигаются в направлении барьера и аккумулируются в его области. Присутствие дырок в области барьерапонижает его высоту, что увеличивает электронный ток, проходящий через барьер. Ростэлектронного тока, в свою очередь, повышает концентрацию дырок в барьерной области. Таким образом, благодаря сформировавшейся положительной обратной связи, незначительные вариации высоты и прозрачности барьера приводят к большим изменениямпротекающего тока. Наступлению лавинного процесса в GaAs способствует междолинныйпереход электронов, прошедших через барьер, и резкое уменьшение их подвижности. Врезультате этого образуется электрический доменный слой с большой напряженностьюэлектрического поля вблизи области барьера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
