Магнитные и транпортные свойства кремния ионно имплантированного марганцем

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Сегодняшний интенсивный технический прогресс во всём мире требует создание новых технических средств, которые могут быстро передавать, хранить и обрабатывать большие объемы информации. Для удовлетворения этих потребностей необходимо создать новое поколение приборов, принцип работы которых должен принципиально отличается от существующих. В новой отрасли микроэлектроники, известной как «спинтроника» для передачи, переработки и хранения информации наряду с зарядом электрона используется его спин. В качестве активной материальной базы спинтроники необходимо использовать материалы имеющие одновременно как с полупроводниковые так и ферромагнитные свойства. На сегодняшний день синтезировано множество разбавленных магнитных полупроводников (РМП) и полупроводниковых соединений с такими свойствами, которые успешно используются в различных электронных устройствах. В настоящее время во всем мире одним из актуальных вопросов является получение ферромагнитного кремния из немагнитного путём имплантации магнитных ионов. Основными причинами этого являются, низкая стоимость кремния по сравнению с другими магнитными полупроводниками, достигшее своего совершенствования технология получения и превосходная планарная технология создания интегральных приборов. В связи с этим одной из важнейших задач полупроводникового материаловедения является формирование ферромагнитных свойств в кремнии путем легирования его магнитными примесями, изучение магнитных и магнитотранспортных свойств. В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан, наиболее важным является обратить особое внимание на разработку эффективных механизмов внедрения достижений научных исследований. В частности, особое внимание выделяется на создание технологии получения новых магнитных полупроводников, исследование электрофизических, фотоэлектриктрических, магнитных и магнитотранспортных а также оптических свойств и применения их на практике. В год поддержки иновационных идей и технологий, активного предпринимателя поднятие на современный уровень полученных научных результатов. В частности, повышение конкурентоспособности и эффективности изделий микроэлектронной промышленности созданием дешевых, экономичных и принципиально отличающихся от существующих технологий, на основе физических явлений наблюдаемых в магнитных полупроводниковых материалах. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлении Президента Республики Узбекистан №-УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по развитиям Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и в Постановлении Президента Республики Узбекистан ПК-№2772 от 13 февраля 2017 года «О приоритетных направлениях развития электронной промышленности 2017-2021 годах» а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Цель исследования является создания ферромагнитного состояния в сильно компенсированном монокристаллическом кремнии, легированного ионами марганца методом ионной имплантации, исследование обменного взаимодействия высокоспиновых магнитных нанокластеров и выявление их влияния на транспорт тока. Научная новизна исследования заключается в следующем: впервые, показана возможность получения на основе кремния сильнокомпенсированного кремния с нанокластерми марганца обладающего ферромагнитными свойствами при ионной имплантации марганца; обнаружено образование высокоспиновых магнитных нанокластеров в сильнокомпенсированных образцах Si<B,Mn> при ионном легировании кремния марганцем; обнаружено появление ферромагнетизма в сильнокомпенсированных образцах Si<B,Mn> при комнатной температуре; впервые, обнаружено положительное магнитосопротивление, его кинетика и гистерезис связанного с магнитными нанокластерами марганца в сильнокомпенсированных образцах Si<B,Mn>; по результатам исследование ВАХ и ЛАХ сильнокомпенсированных образцов Si<B,Mn> при температурах 80 и 300 К, определена существенная разница этих характеристик связанных с нанокластерами содержащих ионы марганца по сравнению образцами полученных высокотемпературной диффузией; предложена модель внутрикластерного и межкластерного обменного взаимодействия приводимая к ферромагнетизму в сильнокомпенсированных образцах Si<B,Mn>. Заключение На основе проведённых исследований по изучению магнитных, магнитотранспортных, фотоэлектрических и электрофизических свойств сильнокомпенсированных образцов Si<B,Mn> можно сделать следующие выводы: 1. Впервые показана возможность получения ферромагнитных образцов сильнокомпенсированного кремния с примесью марганца с помощью метода ионной имплантации. 2. По исследованиям структуры нанокластеров в монокристаллах кремния установлено, что их размеры составляет порядка 5-20 нм и в основном содержит ионы Мп2+ и Мп4+, а причиной высокоспинового состояния в них является внутрикластерное косвенное обменное взаимодействия между ионами Мп2+ и Мп4+. 3. В образцах Si<B,Mn>, полученных методом ионной имплантации наблюдается положительное магнитосопротивление достигающие более чем 25 % при комнатной температуре. Кроме этого, при 300 К и при слабых магнитных полях наблюдается кинетика положительного магнитосопротивления. Причиной этому является спинзависимое рассеяние носителей заряда от высокоспиновых магнитных нанокластеров марганца. Наблюдаемая временная кинетика положительного магнитосопротивления указывает на существования конкуренцию между тепловым разупорядочением и упорядочением внешним магнитным полем, ориентацию магнитных моментов высокоспиновых магнитных нанокластеров марганца. 4. Впервые показано влияние высокоспиновых нанокластеров состоящих из ионов Мп на транспорта тока в сильнокомпенсированных образцов Si<B,Mn>. 5. Впервые установлено существование ферромагнитной фазы в сильнокомпенсированных образцах Si<B,Mn> при 300 К. 6. Показано, что в сильнокомпенсированных образцах Si<B,Mn> полученного методом ионной имплантации, образуется высокоспиновые магнитные нанокластеры типа Mn2+, Мп4+ связанные между собой косвенным обменным взаимодействием и эти нанокластеры является ответственными за ферромагнитное состояние в исследованных образцах. 7. На основе результатов исследований показано, что при легировании кремния атомами элементов переходной группы железа до высокой степени компенсации могут привести его в ферромагнитную фазу и это указывает на возможность применения сильнокомпенсированных образцов Si<B,Mn> в качестве активной элементной базы спиновых транзисторов и других дискретных элементов спинтроники.