Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к легированным марганцем тройным арсенидам кремния и цинка, расположенным на монокристаллической подложке кремния, которые могут найти применение в устройствах спинтроники, для инжекции электронов с определенным спиновым состоянием. В устройствах спинтроники электронный спин используется в качестве активного элемента для хранения и передачи информации, формирования интегральных и функциональных микросхем, конструирования новых магнитооптоэлектронных приборов. Предлагается ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, включающая цинк, кремний, мышьяк и марганец, которая представляет собой тройное соединение арсенида цинка и кремния, легированное марганцем в количестве 1-6 мас.%, указанное соединение синтезировано на подложке монокристаллического кремния и отвечает формуле ZnSiAs₂:Mn/Si, при этом гетероструктура получена путем напыления пленки марганца и диарсенида цинка на подложку кремния с последующей термической обработкой. Уникальное сочетание полупроводниковых и ферромагнитных свойств гетероструктуры с температурой Кюри значительно выше комнатной и совместимость с кремниевой технологией делает ее перспективным продуктом для широкого практического использования. 2 ил.

 

Изобретение относится к области неорганической химии, конкретно к легированным марганцем тройным арсенидам кремния и цинка, расположенным на монокристаллической подложке кремния, которые могут найти применение в устройствах спинтроники, для инжекции электронов с определенным спиновым состоянием. В устройствах спинтроники электронный спин используется в качестве активного элемента для хранения и передачи информации, формирования интегральных и функциональных микросхем, конструирования новых магнитооптоэлектронных приборов.

Вышеуказанные тройные арсениды кремния и цинка относятся к классу арсенидов элементов второй и четвертой группы Периодической системы.

В настоящее время, наиболее перспективными материалами для спинтроники считаются соединения на основе полупроводников А³B⁵,легированные Mn, Co, Fe [M.L.Reed, M.K.Ritums, H.H.Stadelmaier, M.J.Reed, C.A.Parker, S.M.Bedair, and N.A.El-Masry, Mater. Lett, 2001, 51, 500; M.L.Reed, N.A.El-Masry, H.Stadelmaier, M.E.Ritums, N.J.Reed, C.A.Parker, J.C.Roberts, and S.M.Bedair, Appl. Phis. Lett, 2001, 79, 3473; N.Theodoropoulou, A.F.Hebard, M.E.Overberg, C.R.Adernathy, S.J.Pearton, S.N.G.Chu, and R.G.Wilson, Phys. Rev. Lett., 2002, 89, 107203; Hideo Ohno. Properties of ferromagnetic III-Y semiconductors. Journal of magnetism and magnetic materials. 1999. V.209. P.110-129]. Лучшие результаты в этой группе соединений были получены на образцах (Ga, Mn) N с температурой магнитного упорядочения (температура Кюри Т_C), равной 312К [G.T.Thaler, M.E.Overberg, B.Gila, R.Frazier, C.R.Abemathy, SJ.Pearton, J.S.Lee, S.Y.Lee, Y.D.Park, Z.G.Khim, J.Kim, and f.ren, appl. Phys. Lett, 2002, 80, 3964]. К недостаткам этих материалов относятся структурные несовершенства, большое количество дефектов, недостаточно высокая температура Кюри и существенная разница в кристаллических структурах между полупроводниками А³B⁵ и кремнием, что затрудняет получение эпитаксиальных структур и делает их несовместимыми с кремниевой технологией. Следует отметить, что подавляющее большинство элементной базы приборов твердотельной электроники выполнено на кремниевой основе.

Соединениями, совместимыми с кремниевой технологией, являются моносилициды переходных металлов Fe_1-xMn_xSi и Fe_1-yCO_ySi, где x<0,8; y<0,3 [N.Manyala, Y.Sidis, J.F.DiTusa, G.Aeppli, D.P.Young, and Z.Y.Fisk, Nature Materials, 2004, 3, 255]. В этих соединениях наивысшая температура Кюри Т_c=53К достигнута у соединения Fe_1-yCO_ySi, которое имеет электронную проводимость, являясь при y<0,3 ферромагнетиком. К недостатку указанного материала относится низкая температура Кюри, что не позволяет создавать спинтронные устройства, работающее при комнатных температурах, то есть при температурах выше 20°С.

Наиболее близким к изобретению по магнитным и полупроводниковым свойствам является ферромагнитный полупроводник Cd_1-xMn_xGeP₂, легированный переходными d-элементами, с высокой температурой Кюри, относящийся к семейству тройных полупроводников с общей формулой А²B⁴С⁵ ₂ [Новый магнитный полупроводник Cd_1-xMn_xGeP₂. Г.А.Медведкин, Т.Ишибаши, Т.Ниши, К.Сато. ФТП, 2001, т.35, в.3, с.305-309]. Недостатком этих соединений является плохая совместимость с кремниевой технологией.

Предлагаемое изобретение направлено на изыскание ферромагнитного полупроводникового продукта с температурой Кюри значительно выше комнатной, получение которого может быть реализовано в промышленно распространенной кремниевой технологии.

Технический результат достигается тем, что предлагается ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, включающая цинк, кремний, мышьяк и марганец, которая представляет собой тройное соединение арсенида цинка и кремния, легированное марганцем в количестве 1-6 мас.%, указанное соединение синтезируется на подложке монокристаллического кремния и отвечает формуле ZnSiAs₂:Mn/Si, при этом гетероструктура получается путем напыления пленки марганца и диарсенида цинка на подложку кремния с последующей термической обработкой.

Указанный интервал концентрации марганца определяется тем, что при содержании Mn менее 1 мас.% полученный материал не обладает ферромагнитными свойствами, необходимыми при создании элементов памяти, а при содержании Mn более 6 мас.% материал становится многофазным и неоднородным по электрофизическим свойствам.

Гетероструктуру ZnSiAs₂:Mn/Si получают путем взаимодействия пленок марганца и диарсенида цинка с кремниевой подложкой. Пленки наносят с помощью вакуумно-термического испарения на ориентированную в направлении (111) монокристаллическую кремниевую подложку при температуре 30-100°С с последующей термической обработкой в парах диарсенида цинка при температуре 800-1000°С.

Параметры полученного материала контролировались посредством сканирующего электронного микроскопа (состав, толщина пленки), рентгенофазового анализов (состав). Электропроводность образцов оценивалась по методу Ван-дер-Пау, магнитные измерения в интервале температур от гелиевых до 600К проводились с помощью СКВИД-магнетометра.

На Фиг.1 представлена кривая температурной зависимости намагниченности тройного арсенида кремния и цинка, легированного Mn. На Фиг.2 - характеристика электропроводности ZnSiAs₂:Mn в зависимости от температуры.

Ниже приведены примеры предложенных составов заявленной гетероструктуры.

Пример 1. Марганец напыляют на подложку кремния до толщины пленки 0,145 мкм, а диарсенид цинка до толщины пленки 3,46 мкм и отжигают. Содержание марганца в арсениде кремния и цинка составляет 5,5 мас.%. Полученный образец имеет температуру Кюри Т_C=503К (Фиг.1, кривая 1).

Пример 2. Марганец напыляют на подложку кремния до толщины пленки 0,145 мкм, а диарсенид цинка до толщины пленки 12,76 мкм и отжигают. Содержание марганца в арсениде кремния и цинка составляет 1% мас.%. Полученный образец имеет температуру Кюри Т_C=460К (Фиг.1, кривая 2).

Пример 3. Марганец напыляют на подложку кремния до толщины пленки 0,125 мкм, а диарсенид цинка до толщины пленки 1,85 мкм и отжигают. Содержание марганца в арсениде кремния и цинка составляет 6,0 мас.%. Полученный образец имеет температуру Кюри Т_C=475К (Фиг.1, кривая 3).

Как видно из Фиг.1, заявленный продукт является ферромагнетиком с температурой Кюри значительно выше комнатной Т_C=490÷503К, а кривая Фиг.2 указывает на полупроводниковый характер проводимости.

Уникальное сочетание полупроводниковых и ферромагнитных свойств заявленной гетероструктуры и совместимость с кремниевой технологией делают ее перспективным продуктом для широкого практического использования.

Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, включающая цинк, кремний, мышьяк и марганец, которая представляет собой тройное соединение арсенида цинка и кремния, легированное марганцем в количестве 1-6 мас.%, указанное соединение синтезировано на подложке монокристаллического кремния и отвечает формуле ZnSiAs₂:Mn/Si, при этом гетероструктура получена путем напыления пленки марганца и диарсенида цинка на подложку кремния с последующей термической обработкой.