Structural and transport properties of GaAs/δ-Mn/GaAs/In_xGa_1−xAs/GaAs quantum wells

Abstract

We report results of investigations of the structural and transport properties of GaAs/Ga1−xInxAs/GaAs quantum wells (QWs) having a 0.5–1.8 monolayer (ML) thick Mn layer, separated from the QW by a 3 nm thick spacer. The structure has hole mobility of about 2000 cm2 (V s)−1, being by several orders of magnitude higher than in known ferromagnetic two-dimensional (2D) structures. The analysis of the electro-physical properties of these systems is based on detailed study of their structure by means of high-resolution x-ray diffractometry and glancing-incidence reflection, which allow us to restore the depth profiles of the structural characteristics of the QWs and thin Mn-containing layers. These investigations show the absence of Mn atoms inside the QW. The quality of the structures was also characterized by photoluminescence spectra from the QWs. The transport properties reveal features inherent to ferromagnetic systems: a specific maximum in the temperature dependence of the resistance and the anomalous Hall effect (AHE) observed in samples with both ‘metallic’ and activated types of conductivity up to ∼100 K. AHE is most pronounced in the temperature range where the resistance maximum is observed. The results are discussed in terms of the interaction of 2D-holes and magnetic Mn ions in the presence of large-scale potential fluctuations related to the random distribution of Mn atoms. The AHE values are compared with calculations taking into account the ‘intrinsic’ mechanism in ferromagnetic systems.

Circularly polarized photoluminescence of insulating InGaAs/GaAs heterostructures with a ferromagnetic Mn δ‐layer in the barrier

“…Comprehensive studies of magnetic, structural and transport properties of such structures [16] have revealed an anomalous Hall effect (AHE) and a magnetic hysteresis, which evidence an FM ordering with T c $ 30-35 K. Thus, one could expect manifestation of the ferromagnetism in optical properties, particularly in P c . It is difficult to predict a priori the possible FM effect in this case and it requires special investigations.…”

Indirect exchange interaction between magnetic adatoms in graphene

“…However, if the magnetic center posess a bound state with an energy level matching the delocalized carriers energy range, the indirect exchange is dramatically increased due to resonant tunneling effect 6,7 . This phenomenon was observed in GaAs based heterostructures having an In x Ga 1−x As quantum well (QW) and Mn δ-layer in the vicinity of QW [8][9][10][11] .…”

Квантовые поправки к проводимости и аномальный эффект Холла в квантовых ямах InGaAs с пространственно отделенной примесью Mn

“…Однако для потенциальной интеграции ферромагнитных (ФМ) полупроводниковых устройств в существующие техно-логии принципиально важным является исследование магнитных систем с двумерным спектром носителей за-ряда. Результаты исследований магнитных гетерострук-тур позволили частично выяснить особенности таких систем, в том числе, в случае пространственного разде-ления магнитных атомов Mn и двумерного дырочного газа, когда их взаимодействие является существенно непрямым [3][4][5][6][7]. Наличие этого взаимодействия долж-но оказывать заметное влияние на зарядовый транс-порт в системе, однако природа наблюдаемых особен-ностей магнетотранспорта еще далека от детального понимания.…”

“…Образцы были выращены на подложках GaAs методом MOCVD (metalorganic chemical vapour deposition) с лазерным распылением Mn-мишени, после чего на поверхности образцов бы-ли сформированы мезаструктуры в виде холловских мостиков (с отношением длины канала к его ши-рине ≈ 5). Структура исследованных образцов пред-ставлена в [4,13]. Ввиду диффузии атомов марган-ца в процессе роста структуры формируется примес-ный слой (Ga, Mn)As толщиной 3−5 нм, отделенный от квантовой ямы спейсером GaAs толщиной 3 нм.…”

“…Исследуемые образцы 4843 и 4831 отличаются содержанием примеси Mn -0.4 и 0.5 монослоя (≈ 1.3 и 1.6 · 10 14 см −2 ) соответственно. Пространственное разделение примес-ного слоя, содержащего большое число рассеивающих центров, и квантовой ямы увеличивает подвижности дырок в проводящем канале [4], сохраняя при этом их обменное взаимодействие с магнитными моментами Mn. Подвижности и концентрации дырок в исследуемых образцах (µ H и p H ), определенные из нормального эффекта Холла, оказались достаточно высокими, что указывает на дрейфовый характер проводимости в кана-ле, и при T ≈ 4 K составили ≈ 2100 и 1900 см 2 /(В · с) и 0.96 и 0.72 · 10 12 см −2 для образцов 4843 и 4831 соответственно.…”