Известия РАН. Серия физическая, 2023, T. 87, № 2, стр. 213-217

ВВЕДЕНИЕ

Открытие ферромагнитных (ФМ) полупроводников p-типа In_{1 –x}Mn_xAs и Ga_{1 –x}Mn_xAs стимулировало исследования интеграции магнетизма в полупроводниковую электронику [1]. Однако в таких полупроводниках происходит полное гашение межзонной люминесценции магнитными ионами или дефектами, с ними связанными [1]. Эти трудности сместили фокус исследований к низкоразмерным гетероструктурам, в которых ФМ слой и квантовая яма (КЯ) разделены туннельно-прозрачным спейсером толщиной d_C = = 2–10 нм, и в которых температура Кюри T_C может достигать ~200 К благодаря сильному перекрытию носителей (дырок) высокой плотности с ФМ слоем [2]. С одной стороны, этот дизайн сохраняет транспортные и оптические свойства КЯ, а с другой – позволяет управлять спиновой поляризацией в КЯ за счет магнитного слоя [3]. Влияние ФМ слоя на поляризацию носителей в КЯ InGaAs/GaAs/δ-〈Mn〉 экспериментально наблюдалось как достижение высоких значений циркулярной поляризации P_C ~ 10–30% фотолюминесценции из КЯ уже в слабом магнитном поле B ~ 0.1 Тл [4, 5]. Поляризация оптического перехода в этих гетероструктурах с близлежащим ФМ дельта-слоем Mn (спейсер GaAs толщиной d_C = 3–10 нм) была интерпретирована равновесной поляризацией спинов дырок из КЯ в обменном поле ФМ слоя вследствие туннельной связи носителей в КЯ с δ-〈Mn〉-слоем. Ферромагнитное влияние на магнитооптические свойства было обнаружено также в гибридных структурах на основе полупроводников II–VI системы. Структуры имели КЯ CdTe/CdMgTe и тонкую ФМ пленку Co толщиной 4–10 нм, напыленную на поверхность структуры, отделенную от КЯ широким спейсером CdMgTe толщиной d_C = 30 нм и более [6, 7]. Константы обменного взаимодействия с ФМ слоем как свободных электронов (s-d обмен), так и свободных зонных дырок в КЯ (p-d обмен) оказались неизмеримо малы, в то время как обменное взаимодействие дырки, связанной на акцепторе в КЯ, оказалось заметным ~50–100 мкэВ [7]. В этих работах была предложена модель непрямого дальнодействующего обменного взаимодействия носителей заряда и ФМ слоя Co посредством эллиптически поляризованных фононов. В последние годы активно развивается еще один подход к созданию сложных гибридных светоизлучающих (диодных) наноструктур на основе III–V системы с КЯ InGaAs/GaAs и тонкой поверхностной ФМ пленкой CoPt (~10 нм) [8, 9]. Поэтому исследование механизмов и закономерностей спиновой поляризации в ФМ наноструктурах является важным направлением в современной спинтронике.

В настоящей работе изучено влияние тонкого (~8 нм) ферромагнитного слоя CoPt на поляризацию излучения квантовой ямы InGaAs/GaAs в диодных гетероструктурах InGaAs/GaAs/Al₂O₃ (1 нм)/CoPt со спейсером GaAs толщиной d_C = = 5, 30 и 100 нм между активной областью и ФМ инжектором – слоем CoPt. В слабом магнитном поле (<0.1 Тл) во всех структурах наблюдается гистерезис циркулярной поляризации электролюминесценции, обусловленный инжекцией спин-поляризованных носителей из ФМ электрода CoPt в квантовую яму. В то же время для фотолюминесценции гистерезис наблюдается только в структуре с самым узким спейсером d_C = 5 нм, при этом величина поляризации значительно слабее, чем в случае электролюминесценции. Предполагается, что короткодействующий характер наблюдаемого ферромагнитного влияния на спиновую поляризацию носителей в КЯ обусловлен туннельной связью КЯ и слоя CoPt, т.е. перекрытием волновых функций электронов из КЯ с магнитным слоем CoPt.

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Светоизлучающие структуры In GaAs/GaAs/ Al₂O₃/CoPt были выращены на подложках n‑GaAs (100) методом газофазной эпитаксии и представляли собой эпитаксиальные слои с квантовыми ямами GaAs/In_xGa_{1 –x}As (x = 0.22), где толщина КЯ (слой InGaAs) составляла 10 нм [8]. Общая схема структуры приведена на вставке к рис. 1а. Квантовые ямы заращивались покровным слоем GaAs (спейсером), толщина которого d_C варьировалась в пределах d_C = 5–100 нм. На поверхность спейсера GaAs методом электронно-лучевого послойного осаждения наносились тонкий слой диэлектрика Al₂O₃ (толщина 1 нм) и контакт Шоттки на основе сплава Co₄₅Pt₅₅. Для формирования сплава Co₄₅Pt₅₅ поочередно наносились слои Pt толщиной 0.5 нм и слои Co толщиной 0.3 нм, температура нанесения варьировалась в пределах 200–400°C, общая толщина пленки составляла ≈8 нм. Ферромагнетизм контактного слоя Co₄₅Pt₅₅ исследовался ранее и был подтвержден данными измерения намагниченности этих пленок [8]. Туннельно-тонкий слой Al₂O₃ служил диффузионным барьером для атомов Co, а также выполнял функцию повышения поверхностного сопротивления контакта, что является необходимым условием для спиновой инжекции [8]. К обратной стороне структур формировался базовый омический контакт путем искрового вжигания Sn фольги (для n-GaAs). Процесс формирования светоизлучающих диодов завершался травлением мез диаметром 500 мкм.

Рис. 1.

Спектр ФЛ для структуры InGaAs/ GaAs/Al₂O₃/CoPt с шириной спейсера GaAs d_C = = 30 нм при фотовозбуждении лазером λ_L = 845 нм со стороны подложки и T = 2 K (а). Зависимости P_C(B) оптического перехода КЯ для ЭЛ и ФЛ в геометрии Фарадея в структуре с d_C = 30 нм (б). На вставке – схема структуры.

На полученных структурах были исследованы магнитополевые зависимости степени циркулярной поляризации электролюминесценции (ЭЛ) и фотолюминесценции (ФЛ). Магнитное поле было направлено перпендикулярно поверхности структур (геометрия Фарадея). Для возбуждения электролюминесцентного излучения на образцы подавалось прямое электрическое смещение, а сама ЭЛ регистрировалась со стороны подложки, что позволяет избежать дополнительной поляризации света при прохождении через ферромагнитный электрод (магнитный круговой дихроизм). ФЛ возбуждалась диодным лазером (длина волны λ_L = 845 нм) также со стороны подложки и регистрировалась в геометрии Фарадея (магнитное поле направлено перпендикулярно к поверхности образцов) с помощью CCD-камеры на монохроматоре со спектральным разрешением лучше 0.1 мэВ. Циркулярно-поляризованные ЭЛ и ФЛ исследовались стандартным образом с использованием линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки. Степень циркулярной поляризации определялась параметром ${{P}_{C}}(B) = {{({{I}_{ + }} - {{I}_{ - }})} \mathord{\left/ {\vphantom {{({{I}_{ + }} - {{I}_{ - }})} {({{I}_{ + }} + {{I}_{ - }})}}} \right. \kern-0em} {({{I}_{ + }} + {{I}_{ - }})}},$ где ${{I}_{ + }}({{I}_{ - }})$ – интенсивности компонент с правой (левой) поляризацией, полученные путем интегрирования части спектра, соответствующей оптическому переходу в КЯ.

Измерения циркулярной поляризации люминесценции были выполнены в двух диапазонах магнитных полей: в слабом поле (до 0.3 Тл), обеспечивающем намагничивание слоя CoPt и в сильном поле (до 5 Тл), оказывающем существенное влияние на процессы спиновой инжекции и спинового транспорта. Исследования в малых магнитных полях до 300 мТл проводились при температуре T ≈ 10 К в криостате замкнутого цикла. Исследования в магнитных полях до 5 Тл проводились при температуре T ≈ 2 К в криостате со сверхпроводящим соленоидом в жидком гелии под откачкой.

ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 1а показана низкоэнергетическая часть спектра ФЛ (ниже межзонных переходов в барьере GaAs) при низкой температуре T = 2 К для структуры с шириной спейсера d_C = 30 нм. Линия КЯ спектра ФЛ с энергией hν ~ 1.3 эВ отвечает излучательной рекомбинации фотовозбужденных дырок, релаксировавших в КЯ, и электронов, находящихся в КЯ в силу легирования подложки n-GaAs. Полуширина линий ФЛ более 10 мэВ, что свидетельствует о высокой степени беспорядка в КЯ, присущей структурам, выращенным методом газофазной эпитаксии. Во внешнем магнитном поле изучаемые диоды InGaAs/GaAs/Al₂O₃/CoPt в режиме электролюминесценции излучают частично поляризованный свет [8, 9]. Типичный вид магнитополевых зависимостей степени циркулярной поляризации P_C(B) для ЭЛ показан на рис. 1б на примере структуры со спейсером GaAs толщиной d_C = 30 нм. Представленная зависимость для P_C(B) описывают замкнутую петлю гистерезиса с коэрцитивной силой B_C ≈ 0.1 Тл и подобна магнитополевой зависимости намагниченности тонкого поверхностного ФМ слоя CoPt [8]. В режиме прямого смещения, когда на слой CoPt подается положительный относительно базы потенциал, для выращенных на подложке n-GaAs структур через туннельно-тонкий барьер Al₂O₃ (≈1 нм) в спейсерный слой GaAs инжектируются спин-поляризованные дырки [9, 10]. Под действием приложенного электрического поля инжектированные дырки дрейфуют в КЯ, где они излучательно рекомбинируют с резидентными электронами. Сравнение поведения P_C(B) с контрольными немагнитными структурами позволяет связать наблюдаемые в эксперименте особенности с инжекцией спин-поляризованных дырок именно из ФМ слоя CoPt. Отметим, что приведенная на рис. 1б зависимость P_C(B) для ФЛ в этой же структуре, в которой отсутствуют какие-либо особенности вблизи B = 0, свидетельствует об отсутствии ферромагнитного влияния этого слоя на спиновую поляризацию фотовозбужденных в КЯ дырок или резидентных электронов. Дело в том, что линейно-поляризованный лазер λ_L = 845 нм с энергией E_L = 1.47 эВ, что меньше ширины запрещенной зоны в барьере GaAs E_g ≈ 1.51 эВ, создает в КЯ неполяризованные электронно-дырочные пары. Отметим, что вследствие используемого подбарьерного фотовозбуждения носителей именно в КЯ, они не могут поляризоваться на границе между спейсером GaAs и поверхностным ФМ слоем CoPt вследствие отражения, что исключает из рассмотрения этот эффективный механизм поляризации. Вблизи B = 0 (<0.1 Тл), когда наведенная магнитным полем поляризация P_C(B) несущественна, единственным источником спиновой поляризации носителей в КЯ может быть только их обменное взаимодействие с поверхностным ФМ слоем CoPt [1], что для этой структуры со спейсером d_C = 30 нм не реализуется.

Зависимости P_C(B) для ФЛ во всех структурах приведены на рис. 2. Видно, что в отличии от структур с более широким спейсером GaAs d_C = = 30 нм и d_C = 100 нм, для которых P_C(B) ≈ 0 во всем диапазоне полей B = ±5 Тл, в структуре с самым узким спейсером d_C = 5 нм наблюдается более сложное поведение для ФЛ (рис. 2в). Во-первых, в ней зависимость P_C(B) имеет отрицательный, приблизительно линейный наклон. Во-вторых, при B ~ 0 также наблюдается петля гистерезиса, что наглядно видно в увеличенном масштабе на рис. 3. Для сравнения на рис. 3 также показана зависимость P_C(B) для ЭЛ. Видно, что величина поляризации ФЛ значительно, на порядок слабее, чем в случае ЭЛ. Как следствие, петля гистерезиса для случая ФЛ выражена менее резко и четко (рис. 3). Коэрцитивная сила в этой структуре B_C ≈ 0.1 Тл, как и в структуре с d_C = 30 нм, что отражает гистерезис поверхностного ФМ слоя CoPt. В отличии от случая ЭЛ, для которого величина P_C(B) отражает спиновую поляризацию дырок, инжектированных из слоя CoPt, ненулевая поляризация ФЛ отражает конечную спиновую поляризацию носителей в КЯ, резидентных или фотовозбужденных.

Рис. 2.

Зависимости P_C(B) для ФЛ оптического перехода в КЯ  в  геометрии Фарадея в структурах InGaAs/GaAs/Al₂O₃/CoPt с d_C = 100 нм (а), d_C = 30 нм (б) и d_C = 5 нм (в) при фотовозбуждении лазером λ_L = = 845 нм (E_L = 1.47 эВ) со стороны подложки и T = 2 К.

Рис. 3.

Зависимости P_C(B) для ЭЛ (закрытые символы) и ФЛ (открытые символы) оптического перехода КЯ в структуре с узким спейсером d_C = 5 нм. Стрелками отмечено направление развертки магнитного поля, T = 2 К.

Таким образом, сравнение магнитополевых зависимостей P_C(B) в трех исследованных структурах свидетельствует о существенном взаимодействии носителей в КЯ с ФМ слоем CoPt только в случае узкого спейсера d_C = 5 нм. Предполагается, что короткодействующий характер наблюдаемого ферромагнитного влияния поверхностного слоя CoPt на спиновую поляризацию фотовозбужденных или резидентных носителей в КЯ обусловлен туннельной связью КЯ и слоя CoPt, т.е. перекрытием их волновых функций с магнитным слоем CoPt. Для сравнения с литературой отметим, что ферромагнитное влияние поверхностного слоя магнитного металла на спиновую поляризацию носителей в КЯ было найдено в структурах Co/CdMgTe/CdTe [6] и Fe/CdMgTe/CdTe [11]. Что интересно и важно для сопоставления с исследуемыми структурами InGaAs/GaAs/Al₂O₃ (1 нм)/CoPt, в структурах с КЯ CdMgTe/CdTe тонкий (~10 нм) поверхностный ФМ слой Fe или Co наносился непосредственно на спейсер CdMgTe без разделительного слоя на границе раздела (типа Al₂O₃), что приводило к их перемешиванию и/или химическому взаимодействию и образованию промежуточного ФМ слоя [6, 11]. Этот промежуточный ФМ слой имеет магнитные характеристики, отличные от свойств поверхностной пленки ФМ металла и показывает дальнодействующий характер, предположительно фононный [6, 11], что свидетельствует о многообразии возможных механизмов ФМ связи в гибридных полупроводниковых структурах. Отметим, что для установления таких механизмов связи требуются детальные многосторонние исследования (см., например работу [7]), и для систем Co- и Fe/CdMgTe/CdTe находятся в стадии разработки. В настоящее время в этих гибридных структурах на основе полупроводников II–VI системы установлено одновременное наличие двух разных типов взаимодействия носителей в КЯ с ФМ слоем (Co или Fe), которые имеют короткодействующий и дальнодействующей характеры, соответственно [6, 7, 11]. Короткодействующее взаимодействие авторы приписывают стандартному обменному механизму через тонкий барьерный слой, туннельно-прозрачный для волновых функций электронов, тогда как дальнодействующее взаимодействие относят к непрямому обменному взаимодействию носителей в КЯ с ФМ слоем посредством эллиптически поляризованных фононов [6, 11]. Для изучаемых в настоящей работе структур InGaAs/GaAs/Al₂O₃(1 нм)/CoPt такие исследования также продолжаются [8–10]. Предполагается, что обнаруженный в настоящей работе короткодействующий характер влияния ФМ слоя CoPt на поляризацию излучения КЯ также обусловлен туннельной связью носителей в КЯ и ферромагнитного слоя CoPt, аналогично работам [6, 11]. Как показывают расчеты для сходных ФМ гетероструктур InGaAs/GaAs/δ-〈Mn〉, перекрытие волновых функций не только электронов, но и дырок с близлежащим ФМ дельта-слоем Mn (спейсер d_C = 3–10 нм) существенно зависит от конкретных параметров структуры и может быть значительным [12].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано магнитополевое поведение циркулярной поляризации фотолюминесценции квантовой ямы InGaAs/GaAs в гибридных структурах GaAs/InGaAs/GaAs/Al₂O₃(1 нм)/CoPt для широкого диапазона толщин спейсера GaAs d_C = = 5, 30 и 100 нм. Установлено, что влияние тонкого поверхностного ферромагнитного слоя CoPt (~8 нм) на циркулярную поляризацию излучения квантовой ямы InGaAs/GaAs наблюдается только в структуре с узким спейсером GaAs d_S = 5 нм, при этом инжекция спин-поляризованных носителей из ФМ слоя наблюдается в электролюминесценции при всех значениях d_S = 5–100 нм. Предположено, что короткодействующий характер наблюдаемого ферромагнитного влияния слоя CoPt на поляризацию фотолюминесценции обусловлен спиновой поляризацией носителей вследствие туннельной связи квантовой ямы и поверхностного слоя CoPt. Полученные результаты могут быть интересны с практической точки зрения как демонстрация возможности управления циркулярной поляризацией излучения квантовой ямы в гибридных структурах.

Автор благодарит М.В. Дорохина и Б.Н. Звонкова за предоставленные образцы.

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ИФТТ РАН.