Ferromagnetismus bei Raumtemperatur in mehrphasigen (Ga,Mn)N Schichten und Heterostrukturen

Abstract

(Ga,Mn)N ist ein prominenter Vertreter der verdünnten, magnetischen Halbleiter (Diluted Magnetic Semiconductor) auf III-N Basis und damit ein vielversprechendes System für Halbleiter Spintronic Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher Mn dotierte GaN Schichten mit Hilfe von Plasma unterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE) unter verschiedenen Wachstumsbedingungen hergestellt, um sie auf ihre strukturellen und magnetischen Eigenschaften hin zu untersuchen. Strukturelle Charakterisierungen mit TEM und XRD zeigen dabei eine durchschnittliche Kristallqualität, welche - in einigen Fällen - zur Bildung von Spin-Glas-Kopplungen unter den Mn-Atomen führt. Ferromagnetismus bei Raumtemperatur konnte nicht erreicht werden, da Mn-Ionen nicht in der Menge eingebaut werden können, um die Mn-Mn Wechselwirkung (Doppel-Austausch) zu aktivieren, ohne dabei Ausscheidungen zu verursachen. Anhand dieser Ergebnisse konnte der Mechanismus des Mn-Einbaus, der Mn-Mn Wechselwirkung und - allgemein - des Wachstumsprozesses von (Ga,Mn)N besser verstanden werden.Obwohl mit diesen ersten Ergebnissen der Parameterraum für optimales (Ga,Mn)N Wachstum bestimmt werden konnte, ist es nicht möglich, Raumtemperatur Ferromagnetismus in diesen Schichten zu etablieren. Die Tatsache, dass mit höherem Mn-Einbau die Bildung von Mn-Ausscheidungen gefördert wird, macht es notwendig, auf andere Ansätze zurück zu greifen. Mit dem Wechsel von Si(111)-Substraten auf GaN Template-Schichten konnte die Kristallqualität der gewachsenen Schichten entscheidend gesteigert werden. Bis zu 3% Mn dotiertes GaN zeigt dann ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur. Die dabei gemessene geringe Magnetisierung lässt die Vermutung zu, dass nur ein Bruchteil der eingebauten Mn-Menge an der ferromagnetischen Kopplung beteiligt ist. Im weiteren Verlauf der Untersuchung werden Einflüsse von (Al,Ga)N/(Ga,Mn)N-Heterogrenzflächen auf Mn-Einbau und Magnetisierung hin untersucht. Die gewachsenen Heterostrukturen weisen reproduzierbar nicht nur einen bis zu 40-fach stärkeren Anstieg in der Magnetisierung auf, sondern auch eine 20-fache Vergrößerung des Koerzitivfeldes. Mechanische Verspannungen und elektronische Bandverbiegungseffekte an der Heterostrukturgrenze scheinen jedoch keinen direkten Einfluss auf Mn-Einbau und damit auf die ferromagnetische Kopplung zu haben. Die Magnetisierung scheint nur in bestimmten Bereichen der Probe vorhanden zu sein und ist unabhängig von der gewachsenen Schichtdicke. Weitere Untersuchungen durch TEM, EDX und Analysen der SQUID-Daten deuten auf mehrere magnetische Phasen in der (Ga,Mn)N Schicht hin: eine superparamagnetische Phase mit uniaxialer Anisotropie und einem Blocking-Verhalten bei TB = 8 K bestehend aus MnGa-Nanoausscheidungen mit einem mittleren Cluster-Durchmesser von 1.25 nm und einem magnetischen Moment von 210 &muB/Cluster, eine ferromagnetische Phase bei Raumtemperatur mit hoher Koerzivität bestehend aus großen Ansammlungen von MnGa-Ausscheidungen (100 nm Durchmesser) und schließlich eine ferro/paramagnetische Phase getragen durch ve rdünntes Mn in GaN mit einer Curie-Temperatur von TC = 12 K und einem magnetischen Moment von 2 &muB/Mn. Letztere Ergebnisse entsprechen auch neueren theoretischen Vorhersagen, die keinen Raumtemperatur-Ferromagnetismus für (Ga,Mn)N mit einer Mn-Konzentration unterhalb von 20% erwarten.Durch die Untersuchung des Wachstums sowie des Mn-Einbauprozesses und der magnetischen Eigenschaften von (Ga,Mn)N Schichten und Heterostrukturen konnte ein besserer Zugang mit tiefergehendem Verständnis zu diesem Materialsystem erreicht werden. Jedoch zeigen die Ergebnisse auch, dass (Ga,Mn)N DMS nur bedingt für Spintronik Anwendungen geeignet ist. Allerdings könnte MnGa als Schicht oder Ausscheidungen in GaN ein Potential als Spininjektor besitzen.