Magnetische Halbleiterhybridstrukturen für die Optoelektronik: Herstellung (MOVPE) und physikalische Eigenschaften

摘要

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Halbleitermaterial für zukünftige Entwicklungen in der Spinelektronik herzustellen. Die Spintronik (zusammengesetzt aus Spin-Elektronik) erweitert dabei die Elektronik, indem mit der Spinorientierung eine weitere Eigenschaft der Elektronen neben der Ladung genutzt wird. Eine wesentliche Forderung dabei ist die Entwicklung eines Halbleitermaterials mit bei Raumtemperatur nutzbarem Ferromagnetismus, kombiniert mit n-Typ Ladungsträgertransport, das sich gut in bestehende (opto-)elektronische Bauelemente/Prozesse integrieren läßt. In dieser Arbeit kann die erfolgreiche Realisierung dieser Ziele durch die Herstellung von Mn(Ga)As-Cluster-Hybridschichten und deren Integration in erste Bauelementstrukturen bereits gezeigt werden. Zudem werden die erzielten strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften detailliert charakterisiert. Damit ist die Basis geschaffen, dieses Material für zukünftige Untersuchungen und Entwicklungen der Spintronik einzusetzen. Die Herstellung von Mn(Ga)As-Cluster-Hybridschichten stellt für die MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie) ein neues Materialsystem dar. Die grundlegenden Wachstumsuntersuchungen zeigen drei sehr unterschiedliche Wachstumsbereiche in Abhängigkeit von Substrattemperatur und Mn-Angebot. Für kleine Mn-Konzentrationen bei einem nominellen Mn/Ga-Verhältnis in der Gasphase von 0,5% ergibt sich im untersuchten Temperaturbereich von 400°C bis 600°C eine p-Dotierung durch den Einbau von Mn-Akzeptoren in die GaAs:Mn-Matrix. Wird das Mn-Angebot erhöht, ergeben sich in Abhängigkeit von der Wachstumstemperatur zwei Wachstumsbereiche mit deutlichen strukturellen Veränderungen. Für Temperaturen unterhalb von 500°C erfolgt der Übergang zum Whiskerwachstum. Oberhalb von 500°C beginnt das für diese Arbeit angestrebte Clusterwachstum. Dabei wird die unter diesen Wachstumsbedingungen in GaAs bestehende Mn-Löslichkeitsgrenze von 4*10^19 Mn-Atome/cm^3 genutzt, um zunächst durch Segregation Mn auf der Schicht zu kumulieren. Bereits während des Wachstums dieser Schicht wird die folgende Separation in Mn(Ga)As-Cluster und einer GaAs:Mn-Matrix genutzt, um das Hybridsystem zu erzielen Mittels HR-TEM (hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie) wird die erzielte und keinesfalls selbstverständliche defekt-freie Integration dieser Cluster in die umgebende GaAs:Mn-Matrix aufgezeigt. Die durch die definierten Epitaxiebeziehungen zunächst vorgegebene Gitterfehlanpassung wird dabei durch ein Koinzidenzgitter extrem reduziert. EDX-Untersuchungen im TEM zeigen, daß die Cluster neben Mn und As auch 13 % Ga enthalten. Temperaturabhängige Remanenzmessungen ergeben in den Proben eine Curie-Temperatur von 335 K. Dies ist oberhalb des Wertes für MnAs und kann auf eine Kombination aus dem Ga-Einbau und der Verzerrung als Folge der Integration in die GaAs:Mn-Matrix zurückgeführt werden. Dabei werden bei 300 K noch bis zu 67 % der remanenten Magnetisierung bei 5 K erreicht. Der über die Epitaxiebeziehungen definierte Einbau der Cluster in die GaAs:Mn-Matrix führt zu anisotropen magnetischen Eigenschaften. Mit der Zusammenführung der Ergebnisse aus den strukturellen und magnetischen Untersuchungen wird die Verbindung zur magnetischen Kristallanisotropie von MnAs hergestellt. Durch die Wahl des TBAs-Partialdrucks (und der damit erzielten As-Oberflächenbedingungen) wird die leichte Magnetisierungsrichtung des Cluster-Hybridsystems entlang der Vorzugsrichtungen [011]GaAs oder [0-11]GaAs gesteuert. Die elektrischen Eigenschaften werden zunächst vor allem durch den Einbau des Mn-Akzeptors in die GaAs:Mn-Matrix und dem damit verbundenen p-Typ Ladungsträgertransport bestimmt. Der durch die Löslichkeitsgrenze beschränkte Mn-Einbau führt dabei zu Konzentrationen elektrisch aktiver Akzeptoren der Größenordnung 10^18 Mn-Atome/cm3 bei Raumtemperatur. Durch Co-Dotierung mit Te läßt sich diese p-Leitung zunächst kompensieren und anschließend in n-Typ Transporteigenschaften umwandeln. Die Eignung dieser Schichten wird durch den erfolgreichen Einbau in den n-Bereich eines Laser-Bauelementes belegt. Für moderne Halbleiterbauelemente sind Multischichtstrukturen unverzichtbar. Daher ist für die Cluster-Hybridschichten die Möglichkeit zum Überwachsen von elementarer Bedeutung. Experimente belegen die Eignung von AlAs zum Abdecken und Einbetten der Hybridschichten. Ein Wachstumsmodell wird entwickelt, das die Abläufe und Unterschiede zwischen dem Überwachsen mit GaAs und AlAs beschreibt. Durch Vergleichsexperimente mit GaInAs und EDX-Untersuchungen im TEM auf Nanometerskala werden die für das unterschiedliche Überwachsverhalten verantwortlichen Prozesse aufgedeckt und das Modell verifiziert. Zusätzlich wird daraus ein allgemeines Modell für das Clusterwachstum in diesen Hybridschichten entwickelt. Vielversprechend ist auch die Möglichkeit, durch den Einsatz von oxidiertem AlAs als Isolatorschicht den Strompfad gezielt durch die Cluster einzustellen.