Herstellung und Charakterisierung von ferromagnetischem GaMnAs auf der GaAs (001)- und (311)A-Oberfläche

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-6333
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10420

Reinwald, Matthias

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Date of publication of this fulltext: 09 Mar 2006 07:44

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Die im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Zwei-Kammer-Molekularstrahlepitaxieanlage ermöglicht es, sowohl GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen mit hohen Elektronenbeweglichkeiten als auch den verdünnten magnetische Halbleiter GaMnAs herzustellen.
Ferromagnetisches GaMnAs mit einigen Prozent Mangan zeigt in der Regel metallisches Verhalten, wobei Löcher als Ladungsträger dienen. Insofern wäre es interessant, Versuche zur Spininjektion mit zweidimensionalen Lochgasen, statt mit Elektronengasen durchzuführen. Solche Lochgase können zum Beispiel auf der (311)A-GaAs-Oberfläche hergestellt werden, wobei Silizium als Akzeptor verwendet werden kann. Deshalb wurde GaMnAs nicht nur auf (001)-, sondern auch auf (311)A-Substraten aufgewachsen und hinsichtlich seiner ferromagnetischen Eigenschaften charakterisiert, wobei besonders die magnetische Anisotropie von Interesse war.
Mittels SQUID-Magnetometrie konnte gezeigt werden, dass die Curietemperatur von (311)-GaMnAs mit 50 $\,$ K etwas niedriger als die von (001)-GaMnAs (75 $\,$ K) ist, sie kann bei Proben in beiden Wachstumsrichtungen jedoch mittels Tempern auf das 1,5-fache gesteigert werden.
Zur Untersuchung der magnetischen Anisotropie von (311)-GaMnAs wurden Magnetotransportuntersuchungen durchgeführt, bei denen das Magnetfeld innerhalb der Probenebene orientiert war. In dieser Geometrie zeigt GaMnAs den planaren Halleffekt, mit dem sich leichte und schwere Richtungen innerhalb der Probenebene identifizieren lassen. Diese Experimente zeigen eine annähernd vierzahlige Anisotropie, es gibt jedoch Hinweise, dass die leichten Richtungen nicht innerhalb der Probenebene liegen.
Eine genauere Bestimmung der Anisotropie gelang mit Messungen und Simulationen der Ferromagnetischen Resonanz. Dabei konnte gezeigt werden, dass (311)-GaMnAs eine Überlagerung von unisaxialer Anisotropie in [311]-Richtung mit einer kubischen Anisotropie entlang der Kristallachsen aufweist. Die uniaxiale Anisotropie ist dabei weniger ausgeprägt als bei (001)-GaMnAs, so dass diese nicht genügt, die leichten Richtungen in die Probenebene zu zwingen.
Mit diesen Ergebnissen wurden die Grundlagen gelegt, weiterführende Experimente zur Injektion spinpolarisierter Ladungsträger in Heterostrukturen durchführen zu können.

Translation of the abstract (English)

The two-chamber molecular beam epitaxy system that was built for this thesis permits to produce GaAs/AlGaAs-heterostructures with high electron mobilities as well as the diluted magnetic semiconductor GaMnAs.
Ferromagnetic GaMnAs with manganese concentrations of some percent shows usually metallich behaviour, with holes acting as charge carriers. So it might be promissing to carry out spin injection experiments using two dimensional hole gases rather than electron gases. Such hole gases can be produced on the (311)A surface of GaAs using silicon as acceptor. With this aim GaMnAs was grown not only on (001) but also on the (311)A GaAs substrates, and was characterised regarding its magnetic anisotropy.
By using a SQUID magnetometer it could be shown that curie temperatures of (311)-GaMnAs are around 50 K beeing slightly lower than those of (001)-GaMnAs (75 K). However the curie temperature of both types of samples can be increased by a factor of 1.5 by annealing.
To investigate the magnetic anisotropy of (311)-GaMnAs magnetotransport measurements with magnetic field oriented within the sample plain have been carried out. In this geometry GaMnAs shows the planar hall effect, which permits to identify easy and hard magnetic axes.These experiments show that (311)-GaMnAs has a fourfold anisotropy within the sample plain but there are some indications that the easy axes are not within this plain.
A more specific analysis of the magnetic anisotropy of (311)-GaMnAs could be carried out using measurements and simulations of the ferromagnetic resonance. It could be shown that (311)-GaMnAs exhibits a superposition of uniaxial anisotropy along [311] and a cubical anisotropy along the crystal axes. This uniaxial anisotropy is less distinct than that of (001)-GaMnAs so the easy axes can not be forced inside the sample plane.
These results provide a basis for further experiments with the aim of injecting spinpolarized carriers into two dimensional heterostructures.

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