Введение
Глава 1. Приборы на спин-поляризованных носителях (литературный обзор) 24
1.1. Основные термины и определения .25
1.2. Механизмы генерации и детектирования неравновесной спиновой поляризации в
полупроводниковых структурах 34
1.2.1. Механизмы генерации неравновесной спиновой поляризации 35
1.2.2. Методы детектирования спиновой поляризации в полупроводниковых структурах .44
1.2.3. Спиновый светоизлучающий диод .47
1.3. Материалы и структуры для инжекции спин-поляризованных носителей в гибридных системах ферромагнетик/полупроводник .49
1.3.1. Физические принципы спиновой инжекции 50
1.3.2. Влияние свойств реального контакта ферромагнетик/полупроводник на эффект инжекции спин-поляризованных носителей .57
1.3.3. Спиновая поляризация в полупроводниковых структурах в результате спиновой аккумуляции 63
1.3.4. Обзор экспериментов по созданию и исследованию структур со спиновой инжекцией .65
1.3.4.1. Спиновая инжекция в структурах ферромагнитный металл/полупроводник и ферромагнитный металл/туннельно-тонкий диэлектрик/полупроводник 66
1.3.4.2. Спиновая инжекция в структурах ферромагнитный полуметалл MnB5(A3Mn)/полупроводник .73
1.3.4.3. Спиновая инжекция в структурах разбавленный магнитный полупроводник/неферромагнитный полупроводник .77
1.4. Материалы и структуры для ориентации спинов носителей заряда в полупроводниках за счёт взаимодействия с близкорасположенным ферромагнитным слоем .86
1.4.1. Физические основы эффекта спиновой поляризации в структурах ферромагнетик/полупроводник .88
1.5. Методы получения ферромагнитных гетероструктур и спиновых светоизлучающих диодов на их
основе .90
1.5.1. Применение метода молекулярно-лучевой эпитаксии для создания спиновых светоизлучающих диодов .92
1.5.2. Применение метода газофазной эпитаксии из металлорганических соединений для создания спиновых светоизлучающих диодов 95
1.5.1. Применение методов магнетронного распыления и импульсного лазерного осаждения для
создания спиновых светоизлучающих диодов 99
1.6 Выводы по Главе 1 102
Глава 2. Особенности метода МОС-гидридной эпитаксии и импульсного лазерного осаждения для формирования наноструктур A3B5, содержащих ферромагнитные слои .104
2.1. Применение комбинированного метода МОС-гидридной эпитаксии и импульсного лазерного осаждения для формирования спиновых светоизлучающих диодов на основе гетероструктур A3B5. 104
2.1.1. Общая схема структур и использованные материалы 106
2.1.1.1. Выбор активной области спиновых светоизлучающих диодов 107
2.1.1.2 Толщина слоёв в методе МОСГЭ . 111
2.1.1.3 Легирование эпитаксиальных слоёв в методе МОСГЭ 114
2.1.1.4 Ферромагнитные инжекторы 114
2.1.1.5 Контроль технологии формирования структур .116
2.1.2. Формирование ферромагнитных инжекторов для спиновых светоизлучающих диодов 118
2.1.2.1 Формирование дельта-легированных слоёв Mn в матрице GaAs методом импульсного
лазерного осаждения .119
2.1.2.2 Формирование слоёв разбавленного магнитного полупроводника (GaxMn1-xAs, GayMn1-ySb и InzMn1-zAs) 123
2.1.2.3 Формирование ферромагнитных слоёв полуметалла .125
2.1.2.4 Формирование контактов на основе ферромагнитного металла 127
2.2. Исследование атомной, кристаллической структуры и состава эпитаксиальных слоёв спиновых светоизлучающих диодов .131
2.2.1. Применяемые методы исследования 131
2.2.2. Исследование атомной, кристаллической структуры и фазового состава слоёв спиновых светоизлучающих диодов с инжектором на основе ферромагнитного металла .134
2.2.2.1. Исследование атомной и кристаллической структуры металлического контакта и приповерхностных слоёв полупроводника .134
2.2.2.2. Исследование фазового состава приповерхностных слоёв полупроводника в структурах ферромагнитный металл/полупроводник .140
2.2.3. Исследование атомной, кристаллической структуры и фазового состава слоёв спиновых светоизлучающих диодов с инжектором на основе разбавленного магнитного полупроводника .144
2.2.3.1. Исследование атомной и кристаллической структуры разбавленного магнитного полупроводника и приповерхностных слоёв светоизлучающей структуры 145
2.2.3.2. Исследование фазового состава приповерхностных слоёв полупроводника в структурах разбавленный магнитный полупроводник/неферромагнитный полупроводник 150
2.2.4. Исследование атомной, кристаллической структуры и фазового состава слоёв спиновых светоизлучающих диодов с на основе гетероструктур Mn /GaAs/InGaAs .154
2.2.4.1. Исследование атомной и кристаллической структуры приповерхностной области диода на
основе Mn /GaAs/InGaAs .155
2.2.4.2. Исследование фазового состава приповерхностных слоёв полупроводника в структурах Mn /GaAs/InGaAs .157
2.3. Выводы по главе 2 160
Глава 3. Исследование электролюминесценции спиновых светоизлучающих диодов на основе гетероструктур InGaAs/GaAs с инжектором ферромагнитный металл/GaAs .162
3.1 Схема образцов для исследования 164
3.2 Методы исследования диодов Шоттки ферромагнитный металл/полупроводник и ферромагнитный металл/туннельно-тонкий окисел/полупроводник на основе гетероструктур с квантовой ямой
3.2.1. Исследование ферромагнитных свойств металлических слоёв .170
3.2.2. Методика исследования электрических характеристик .170
3.2.3. Методика исследования фото- и электролюминесценции .171
3.2.4. Анализ циркулярно-поляризованной люминесценции .175
3.3 Исследование электрических характеристик диодов Шоттки ферромагнитный металл/полупроводник на основе гетероструктур с квантовой ямой 178
3.4 Исследование электролюминесценции диодов с контактом металл/полупроводник и металл/туннельно-тонкий диэлектрик/полупроводник .191
3.4.1 О механизмах инжекционной электролюминесценции в структурах металл/полупроводник и металл/туннельно-тонкий окисел/полупроводник .191
3.4.2 Электролюминесцентные характеристики светоизлучающих диодов с ферромагнитным
металлическим контактом 197
3.4.2.1. Общие особенности электролюминесценции диодов Шоттки 197
3.4.2.2. Сравнение электролюминесцентных характеристик для разных видов металлического
контакта 201
3.4.2.3. О роли промежуточных слоёв в изменении люминесцентных характеристик диодов Шоттки и МТОП-структур .205
3.4.2.4. Особенности электролюминесценции диодов Шоттки на основе р-GaAs 209
3.4.3 Циркулярно-поляризованная электролюминесценция диодов Шоттки и МТОП структур с
ферромагнитным металлическим контактом 210
3.4.2.1. Особенности низкотемпературной электролюминесценции светоизлучающих диодов
Шоттки .211
3.4.2.2. Циркулярно-поляризованная электролюминесценция диодов Шоттки, помещённых в сильное магнитное поле 214
3.4.3.2. Механизмы циркулярно-поляризованной люминесценции диодов Шоттки в режиме прямого смещения 220
3.4.3.3. Заключение по разделу 3.4.2 .234 3.5. Модификации технологии спиновых светоизлучающих диодов для улучшения люминесцентных и
поляризационных характеристик 235
3.5.1. Исследование циркулярной поляризации электролюминесценции структур Co/Al2O3/GaAs/InGaAs 237
3.5.2. Исследование циркулярной поляризации электролюминесценции структур CoPt/Al2O3/GaAs/InGaAs 240
3.5.2.1. Исследование магнитных свойств слоёв CoPt, осаждённых на поверхность Al2O3/GaAs 240
3.5.2.2. Исследование циркулярно-поляризованной электролюминесценции диодов на основе
гетероструктур с квантовой ямой и контактом CoPt/Al2O3/GaAs .245
3.5.2.3. Механизмы циркулярно-поляризованной электролюминесценции диодов на основе
гетероструктур с квантовой ямой и контактом CoPt/Al2O3/GaAs 250
3.5.2.4. Обсуждение зависимости степени циркулярной поляризации от толщины спейсерного слоя
GaAs .261
3.5.3. Заключение по разделу 3.5 .266
3.6. Выводы по главе 3 .266
Глава.4. Исследование эффектов спиновой инжекции в светоизлучающих диодах, содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника .269
4.1 Схема структур для исследований 270
4.1.1. Схема светоизлучающих p-i-n диодов, содержащих слои (A3,Mn)B5 270
4.1.2. Схема светоизлучающих диодов с туннельным барьером, содержащих слои (A3,Mn)B5 2 4.2. Использованные экспериментальные методики .274
4.3. Ферромагнитные свойства слоёв разбавленного магнитного полупроводника (Ga,Mn)As, (Ga,Mn)Sb, (In,Mn)As, сформированных на подложке GaAs 276
4.4. Свойства спиновых светоизлучающих диодов с p-n переходом, содержащим слои разбавленного магнитного полупроводника 277
4.4.1. Вольтамперные характеристики спиновых светоизлучающих диодов с p-n переходом, содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника 277
4.4.1.1. Вольтамперные характеристики диодов (Ga,Mn)As/i-GaAs/n-GaAs 278
4.4.1.2. Вольтамперные характеристики диодов (In,Mn)As/i-GaAs/n-GaAs 280
4.4.1.3. Вольтамперные характеристики диодов (Ga,Mn)Sb/i-GaAs/n-GaAs .282
4.4.2. Электролюминесценция спиновых светоизлучающих p-i-n диодов, содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника .285
4.4.2.1 Общие особенности электролюминесценции диодов 285
4.4.2.2 Механизмы электролюминесценции в p-i-n диодах, содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника 287
4.4.2.3 Влияние параметров ферромагнитного слоя на излучательные характеристики p-i-n диодов, содержащих слои (А3,Mn)B5 .294
4.4.2.4 Заключение по разделу 4.4.2 .297
4.4.3. Циркулярная поляризация электролюминесценции спиновых светоизлучающих диодов с p-n переходом, содержащим слои разбавленного магнитного полупроводника .297
4.4.3.1 Исследование циркулярной поляризации электролюминесценции диодов (Ga,Mn)As/i-GaAs/n GaAs .298
4.4.3.2 Механизмы циркулярной поляризации электролюминесценции диодов (Ga,Mn)As/i-GaAs/n-GaAs .302
4.4.3.3 Циркулярная поляризация электролюминесценции диодов (Ga,Mn)Sb/i-GaAs/n-GaAs .305
4.4.3.4 Заключение по разделу 4.4.3 309
4.5. Свойства спиновых светоизлучающих диодов с туннельным барьером, содержащим слои
разбавленного магнитного полупроводника 310
4.5.1. Вольтамперные характеристики спиновых светодиодов с p-n переходом, содержащих слои
разбавленного магнитного полупроводника .310
4.5.2. Электролюминесценция спиновых светоизлучающих диодов с туннельным барьером,
содержащих слои разбавленного магнитного полупроводника 314
4.5.3. Циркулярная поляризация электролюминесценции спиновых светоизлучающих диодов с
туннельным барьером (Ga,Mn)As/n++GaAs .318 4.5.4. Циркулярная поляризация электролюминесценции спиновых светоизлучающих диодов с туннельным барьером (Ga,Mn)Sb/n++GaAs .320
4.6 Сопоставление результатов исследований структур, отличающихся видом ферромагнитного
инжектора .324
4.7 Выводы по главе 4 .326
Глава 5. Спиновые светоизлучающие диоды на основе гетероструктур InGaAs/GaAs, содержащих Mn -слой в матрице GaAs 329
5.1. Схема структур для исследований .329
5.2. Использованные экспериментальные методики .333
5.3. Электрические и электролюминесцентные свойства диодов на основе n-GaAs, содержащих дельта-легированный слой Mn в приповерхностной области 335
5.3.1. Вольтамперные характеристики диодов, содержащих дельта-легированный слой Mn в
приповерхностной области GaAs .336
5.3.2. Исследование фото- и электролюминесценции гетероструктур InGaAs/GaAs, содержащих
Mn -слой в приповерхностной области .341
5.3.2.1. Общие особенности фото- и электролюминесценции структур с Mn -слоем .342
5.3.2.2. Зависимость фото- и электролюминесцентных свойств структур с Mn -слоем от
технологических параметров 345
5.3.2.3. Температурные зависимости фото- и электролюминесцентных свойств структур с Mn -слоем 349
5.3.2.4. Заключение к разделу 5.3.2 .354
5.4. Циркулярно-поляризованная люминесценция диодов на основе n-GaAs, содержащих дельта легированный слой Mn в приповерхностной области 355
5.4.1 Общие особенности циркулярно-поляризованной электролюминесценции диодов с
Mn -слоем 355
5.4.2 Циркулярная поляризация фото- и электролюминесценции структур с Mn -легированным
слоем 361
5.4.3 Взаимосвязь ферромагнитных свойств Mn -легированных структур и циркулярной
поляризации фото- и электролюминесценции 364
5.4.4 Ферромагнетизм GaAs структур, содержащих Mn -легированный слой 369
5.4.5 Применение модели связанного магнитного полярона для описания магнитных свойств
светоизлучающих диодов InGaAs/GaAs/ Mn .379
5.4.6 Зависимость степени поляризации люминесценции структур, содержащих Mn -легированный
слой, от технологических параметров .390
5.4.6.1 Зависимость степени циркулярной поляризации люминесценции от температуры
формирования Mn и покровного слоя GaAs .390
5.4.6.2 Зависимость степени циркулярной поляризации люминесценции от толщины спейсерного
слоя GaAs .393
5.4.6.3 Зависимость степени циркулярной поляризации люминесценции от содержания Mn в дельта-слое 397
5.4.6.4 Зависимость степени циркулярной поляризации люминесценции от содержания In в квантовой яме 3 5.4.6.5 Зависимость степени циркулярной поляризации люминесценции от содержания углерода в дополнительном C -слое .400
5.4.6.6 Обсуждение зависимостей степени поляризации от параметров структур с Mn -слоем, возможные модели спиновой поляризации 402
5.4.7 Заключение к разделу 5.4 409
5.5 Выводы по главе 5 .410
Заключение
