[논문 리뷰] Transport and Magnetism in p-type cubic (Ga,Mn)N

KW Edmonds, С. В. Новиков외 9명|arXiv (Cornell University)|2004. 11. 18.

ZnO doping and properties참고 문헌 15인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 플라즈마 보조 분자 빔 에pitaxy를 통해 성장시킨 입방계 (Ga,Mn)N 박막에서 p형 도핑 성질과 강자성의 존재를 입증한다. 구멍 농도는 10¹⁸ cm⁻³를 초과하며 수용체 이온화 에너지는 45–60 meV이다. 결과는 Mn 도핑이 직접적으로 p형 행동을 유도하고 실온에서 강자성을 유도함을 확인하며, 저온에서 자기적 결합이 강화됨을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 플라즈마 보조 분자 빔 에pitaxy를 통해 성장된 입방계 (Ga,Mn)N 박막에서 p형 도핑의 기원을 규명하는 것.
• 관측된 p형 행동이 Mn 도핑에 기인하는지, 또는 뜻하지 않은 공도핑 효과에 기인하는지 확인하는 것.
• (Ga,Mn)N의 자기적 성질을 검토하고 실온 및 그 이하에서 강자성 정렬이 존재하는지 평가하는 것.
• 박막 두께와 성장 온도 의존성 연구를 통해 기판으로의 확산 또는 외부 기여 요소가 전기적 도전성에 미치는 영향을 배제하는 것.

제안 방법

• 사파이어 기판 위에서 플라즈마 보조 분자 빔 에pitaxy를 이용해 입방계 (Ga,Mn)N 박막을 성장시키는 것.
• 온도 의존성 전도도와 열전력 측정을 통해 구멍 농도와 이온화 에너지를 결정하기 위한 전기적 운반체 성질 측정.
• 용량-전압(CV) 프로파일링을 활용해 운반체 농도의 깊이 분포를 분석하고 부피 도전성 여부를 확인하는 것.
• SQUID 자화도 측정기를 사용해 자화율을 측정하고 강자성 전이를 탐지하는 것.
• Mn 농도와 성장 온도를 체계적으로 변화시켜 전기적 및 자기적 반응 간 상관관계를 분석하는 것.
• 자기적 기판 확산 효과를 제거하기 위해 자유상태 박막을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입방계 (Ga,Mn)N에서 p형 도핑의 기원은 무엇이며, Mn 도핑에 기인하는지, 또는 뜻하지 않은 공도핑에 기인하는 것인가?
• RQ2 (Ga,Mn)N에서 수용체 이온화 에너지는 얼마이며, Mn 농도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 (Ga,Mn)N은 실온 및 그 이하에서 내재된 강자성을 나타내는가?
• RQ4 박막 두께와 성장 온도는 전기적 및 자기적 성질에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 도전성은 기판으로의 확산에 기인하는가, 아니면 (Ga,Mn)N 층 자체의 내재적 성질에 기인하는가?

주요 결과

• 실온에서 10¹⁸ cm⁻³를 초과하는 구멍 농도가 달성되어 강력한 p형 도핑임을 나타낸다.
• ~150 K까지 활성화된 도전 거동가 관찰되었으며, 수용체 이온화 에너지가 45–60 meV로 얕은 수용체 준위를 시사한다.
• Mn 농도에 따른 구멍 농도와 이온화 에너지의 의존성은 p형 도핑의 기원이 단순한 뜻하지 않은 공도핑이 아님을 배제한다.
• 자유상태 박막에서의 열전력 및 CV 측정 결과는 도전성이 (Ga,Mn)N 층 자체에 기인하며 기판 확산에 기인하지 않음을 확인한다.
• SQUID 자화도 측정에서 실온에서 작은 강자성 상이 관찰되었으며, 저온에서 자기적 결합이 크게 강화됨을 확인하였다.
• 결과적으로, 입방계 GaN에 Mn이 도입됨으로써 p형 도핑 성질과 강자성 정렬이 동시에 유도됨을 규명하였다.