[論文レビュー] Transport and Magnetism in p-type cubic (Ga,Mn)N

KW Edmonds, С. В. Новиков+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2004

ZnO doping and properties参考文献 15被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、プラズマ支援分子線エpitaxy法を用いて成長した立方晶 (Ga,Mn)N薄膜において、p型不純物導電性および強磁性を実証した。空孔濃度は 10¹⁸ cm⁻³ を超え、アクセプタのイオン化エネルギーは 45–60 meV であった。結果から、Mnの添加が直接的にp型行動を誘導し、室温での強磁性を引き起こすことが確認された。低温では磁気的結合が強化された。

ABSTRACT

The electrical and magnetic properties of p-type cubic (Ga,Mn)N thin films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy are reported. Hole concentrations in excess of 1018 cm-3 at room temperature are observed. Activated behaviour is observed down to around 150K, characterised by an acceptor ionisation energy of around 45-60meV. The dependence of hole concentration and ionisation energy on Mn concentration indicates that the shallow acceptor level is not simply due to unintentional co-doping. Thermopower measurements on freestanding films, CV profilometry, and the dependence of conductivity on thickness and growth temperature, all show that the conduction is not due to diffusion into the substrate. We therefore associate the p-type conductivity with the presence of the Mn in the cubic GaN films. Magnetometry measurements indicate a small room temperature ferromagnetic phase, and a significantly larger magnetic coupling at low temperatures.

研究の動機と目的

• プラズマ支援分子線エpitaxy法で成長した立方晶 (Ga,Mn)N薄膜におけるp型導電性の起源を調査すること。
• 観察されたp型行動がMnドーピングに起因するのか、あるいは意図しない共ドーピング効果に起因するのかを特定すること。
• (Ga,Mn)Nの磁気的性質を検討し、室温およびその以下の温度で強磁性秩序が存在するかどうかを評価すること。
• 膜厚および成長温度依存性の研究を通じて、基板への拡散や外部要因による電気的輸送を除外すること。

提案手法

• サファイア基板上に、プラズマ支援分子線エpitaxy法を用いて立方晶 (Ga,Mn)N薄膜を成長させること。
• 温度依存の電気的輸送特性およびサーモプレッシャーの測定を通じて、空孔濃度およびイオン化エネルギーを決定すること。
• キャパシタンス-電圧 (CV) プロファイルを用いてキャリア濃度の深さ方向プロファイルを分析し、体積内輸送を確認すること。
• SQUID磁化計を用いて磁化率を測定し、強磁性転移を検出すること。
• Mn濃度および成長温度を系統的に変化させ、電気的および磁気的応答との相関を調査すること。
• 自由膜の分析により、基板への拡散が導電性の原因である可能性を除外すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 立方晶 (Ga,Mn)Nにおけるp型導電性の起源は何か。これはMnドーピングに起因するのか、それとも意図しない共ドーピングに起因するのか。
• RQ2 (Ga,Mn)Nにおけるアクセプタのイオン化エネルギーは何か。Mn濃度に応じてどのように変化するか。
• RQ3 (Ga,Mn)Nは室温およびその以下の温度で内在的な強磁性を示すか。
• RQ4 膜厚および成長温度は、電気的および磁気的性質にどの程度影響を及えるか。
• RQ5 観察された輸送は、基板への拡散に起因するのか、それとも (Ga,Mn)N層そのものに起因する内在的性質なのか。

主な発見

• 室温で 10¹⁸ cm⁻³ を超える空孔濃度が達成され、強いp型ドーピングであることが示された。
• 約150 Kまで活性化輸送が観察され、アクセプタのイオン化エネルギーが 45–60 meV であった。これは浅いアクセプタ準位を示唆している。
• Mn濃度に依存する空孔濃度およびイオン化エネルギーの依存性から、p型導電性の原因が単純な意図しない共ドーピングではないことが明らかになった。
• 自由膜におけるサーモプレッシャーおよびCV測定により、導電性が (Ga,Mn)N層に内在するものであり、基板への拡散に起因するものではないことが確認された。
• SQUID磁化計による測定で、室温で微小な強磁性相が観察され、低温では磁気的結合が顕著に強化された。
• 本結果から、立方晶GaNにおけるMnの添加が、p型導電性および強磁性秩序の両者を引き起こす要因であることが確立された。