《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：The magneto-optical and magnetotransport properties of ferromagnetic GaAs structures delta-doped with Fe
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铁电沉积制备的Fe掺杂GaAs磁半导体在200℃下形成3-5×101? cm?2浓度层，居里温度达140K。透射电镜证实5? Fe前层沉积不影响GaAs晶体生长，磁输运性能随Fe浓度提升呈数量级增长，磁圆偏振光谱揭示了内禀铁磁机制。
A.V. 库德林 | A.A. 雅科夫列娃 | V.P. 莱斯尼科夫 | R.N. 克留科夫 | M.V. 多罗金 | D.A. 塔塔尔斯基
俄罗斯下诺夫哥罗德市洛巴切夫斯基国立大学，邮编603950
摘要
本文研究了通过真空脉冲激光沉积法制备的铁磁Fe掺杂GaAs结构的磁光和磁输运特性。这些结构在200°C的生长温度下形成。Fe掺杂层中的Fe原子浓度为3–5×10^15 cm^-2，居里温度约为140K。透射电子显微镜观察表明，在GaAs覆盖层之前沉积约5?厚的Fe掺杂层并不妨碍晶体的有序生长。研究发现，随着Fe掺杂层中Fe原子浓度从3×10^15 cm^-2增加到5×10^15 cm^-2，Fe掺杂GaAs结构的导电性提高了几个数量级。对磁圆二色性的光谱研究表明，这种结构具有与GaAs:Fe磁半导体相关的固有铁磁性。
引言
半导体自旋电子器件的实现需要具有固有铁磁性的半导体材料（这种材料能够使载流子产生优先的自旋极化，并产生其他自旋依赖效应），且这种铁磁性至少在室温下得以保持。在过去的十年中，基于重Fe掺杂的III-V族半导体的高居里温度（约300K）磁半导体已被研制出来。例如，通过分子束外延（MBE）技术制备了居里温度接近420K、Fe浓度约为10at%的外延(Ga,Fe)Sb层[1]；另外，通过真空脉冲激光沉积（PLD）和MBE技术也制备了Fe浓度约为17at%、居里温度超过300K的外延(In,Fe)Sb层[2,3]；此外，还利用PLD方法制备了居里温度接近室温的(In,Fe)AsSb和(InGa,Fe)Sb固溶体外延层[4]。基于广泛使用的GaAs半导体的高温磁半导体开发是上述研究的重要方向。此前，我们已经制备出了厚度约为40nm的单相GaAs:Fe层，在Fe浓度为20at%时，其固有铁磁性可保持到至少300K[5]。这些GaAs:Fe层是在180–250°C的生长温度下通过PLD技术制备的。在180–200°C的温度范围内，这些层中含有较多的孪晶缺陷；当生长温度升高到250°C时，由于Fe的偏聚作用，层的导电性会下降。为了进一步发展GaAs:Fe磁半导体技术，我们研究了具有Fe掺杂层的GaAs结构的形成。Fe掺杂有助于提高半导体结构的晶体质量，因为大量的掺杂剂局限在结构中相对较薄的层内。磁性3d杂质（尤其是Fe）的局域化也有助于改善杂质3d原子之间的铁磁交换作用，并促进载流子之间的传输（这可能还会影响交换相互作用，特别是通过Zener双交换机制）。此前，我们采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）和PLD结合的方法制备了Mn掺杂的GaAs结构。在400°C的沉积温度下制备的Mn掺杂GaAs结构具有较高的晶体质量，并在低于约30K的温度下表现出铁磁性[6,7,8,9]。本文讨论了具有Fe掺杂层的GaAs结构的制备与研究。
实验技术
实验技术
Fe掺杂的GaAs结构是通过真空中的PLD技术在半绝缘（001）GaAs衬底上制备的。首先，在200–500°C的温度范围内，利用GaAs靶材的激光溅射在GaAs衬底上形成一层未掺杂的GaAs缓冲层（厚度约为20nm）。随后，在200–230°C的温度范围内，利用Fe靶材的激光溅射沉积Fe掺杂层，Fe原子的浓度为3–5×10^15 cm^-2。最后形成GaAs覆盖层。
实验结果与讨论
图1展示了Fe1结构的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，其中包含了GaAs衬底、GaAs缓冲层、Fe掺杂区域以及厚度约为24nm的GaAs覆盖层。在500°C下生长的GaAs缓冲层具有较高的晶体质量；而在200°C下生长的GaAs覆盖层中含有微孪晶区域（表现为以接近70°角相交的直线），这是低温外延GaAs层的典型特征[11]。
结论
通过引入Fe掺杂层（Fe原子浓度约为3–5×10^15 cm^-2），可以制备出居里温度约为140K的铁磁GaAs结构。Fe掺杂层中相对较高的Fe浓度并未阻碍GaAs覆盖层的晶体生长，这为制备多层Fe掺杂的GaAs结构提供了可能性。GaAs结构的输运特性……
作者贡献声明
A.V. 库德林：负责撰写初稿、项目监督、项目管理、资金争取及概念构思。V.P. 莱斯尼科夫：负责资源协调。
资助
本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：24–22-00151，网址：https://rscf.ru/project/24-22-00151/）的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
