Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура

Изобретение относится к области материалов и элементов спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов спинтронных устройств, сочетающих источник и приемник поляризованных спинов носителей заряда в гетероструктуре: ферромагнитный полупроводник/немагнитный полупроводник. В устройствах спиновой электроники спин используется в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации при создании магнитоэлектронных элементов и приборов. Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура для спинтроники включает ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку легированного полупроводникового диоксида титана на полупроводниковой подложке, при этом пленка диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 18 ат.% по отношению к титану, имеет кристаллическую структуру рутила и удельное электрическое сопротивление в диапазоне 0.01 до 0.1 Ом·см или в диапазоне от 2 до 20 кОм·см и эпитаксиально выращена на монокристаллической подложке диоксида титана в той же кристаллической модификации так, что гетероструктура отвечает формуле TiO₂:V/TiO₂. Гетероструктура предназначена для работы при комнатной и выше температурах и включает бескластерный ферромагнитный полупроводник с высокой намагниченностью, парамагнитный полупроводник и совершенный интерфейс между однородными материалами. Уникальное сочетание родственных ферромагнитного и полупроводникового слоев гетероструктуры на основе оксида титана, обеспечивающее высокое качество интерфейса, делает такие гетероструктуры перспективным продуктом для широкого практического использования в приборах спиновой электроники. 2 ил.

 

Изобретение относится к области материалов и элементов полупроводниковой спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов соответствующих спинтронных приборов. К настоящему времени в мире разработаны теоретические основы спиновой электроники и конкретные конструкции разнообразных спиновых магнитоэлектронных приборов, таких как спиновые полевые транзисторы, спиновые резонансные и светодиоды, спиновые вентили и т.д. Данное направление в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных для создания нового поколения приборов для хранения, передачи и обработки информации. Создание указанных материалов и спинтронных приборов на их основе позволит уверенно продвинуть границу СВЧ-электроники в терагерцевую область и организовать динамическую обработку сигналов с использованием квантовых единиц, что на много порядков повысит скорость передачи данных и уменьшит необходимые объемы носителей. Реализация возможностей спиновой электроники обеспечит качественный скачок в развитии электронной техники и приведет к созданию нового многомиллиардного рынка приборов и устройств электроники, информатики и оптоэлектронной техники.

Основным препятствием на пути создания спинтронных приборов в настоящее время является отсутствие полупроводниковых гетероструктур, включающих полупроводниковый ферромагнитный материал с необходимыми характеристиками для работы при комнатной и выше температурах для инжекторов поляризованных носителей заряда в сочетании со спин-прозрачным интерфейсом между инжектором и приемником поляризованных носителей с характеристиками, обеспечивающими эффективную инжекцию спинов из ферромагнитного материала в полупроводник.

Технической задачей изобретения является создание полупроводниковой гетероструктуры, включающей ферромагнитный при температурах выше комнатной полупроводник с высокой намагниченностью насыщения на основе диоксида титана, легированного ванадием, парамагнитный полупроводник и оптимизированный интерфейс между ними, а также способа ее получения.

Известна полупроводниковая, ферромагнитная при комнатной и выше температурах, гетероструктура, состоящая из ферромагнитной пленки Mn-Si, осаждаемой методом магнетронного распыления на подложке монокристаллического кремния (Патент CN 1885493 А от 27.12.2007, МПК H01L 21/203; С23С 14/35; С23С 14/58; H01L 21/324).

Известен также способ получения такой гетероструктуры на основе ферромагнитного полупроводника Si-Mn путем имплантации ионов марганца в кремниевые пластины (M.Bolduc et al., Phys. Rev. B, v.71, p.033302, 2005; А.Ф.Орлов и др. ЖЭТФ, т.136, с.703, 2009).

Недостатком указанных структур является крайне низкая намагниченность получаемого материала и во втором случае размытый интерфейс между ферромагнитным полупроводником и исходным кремнием.

Известна полупроводниковая ферромагнитная при температурах до 400 К структура, состоящая из слоя тройного соединения арсенида цинка и кремния, легированного марганцем, на подложке монокристаллического кремния (патент РФ RU 2305723 С1 от 17.01.2006, МПК С30В 29/10; H01L 21/02).

Недостатками указанного изобретения являются следующие: интерфейс между ферромагнитным полупроводником и подложкой является размытым, что недопустимо для спинтронной структуры, а ферромагнитный полупроводник в данной структуре имеет очень высокое удельное сопротивление, что ограничивает возможность его использования.

Известна также ферромагнитная полупроводниковая структура, включающая подложку из монокристаллического полупроводника с осажденной на нее пленкой легированного оксида титана в кристаллической модификации анатаза и промежуточный буферный слой из соединений щелочно-земельных элементов. Легирование оксида титана, выполняющего роль спинового инжектора, проводится одним из 3-d переходных элементов: Cr, Mn, Fe, Со, Ni либо оксидами указанных элементов. В качестве подложки, выполняющей роль спинового приемника, предлагаются монокристаллы полупроводников IV группы или полупроводниковых соединений типа A^IIIB^V (патент США 6885065 от 26.04.2005, H01L 29/72).

Данное изобретение принимается за прототип.

Предлагаемое изобретение отличается от известных следующими элементами:

- в качестве спинового инжектора предлагается использование эпитаксиальной пленки ферромагнитного полупроводникового легированного диоксида титана в модификации рутила; при этом легирование диоксида титана выполняется ванадием,

- в качестве спинового приемника предлагается подложка из монокристаллического полупроводникового диоксида титана, также в кристаллической модификации рутила.

Отличительные признаки обеспечивают необходимые электрические м магнитные характеристики указанных гетероструктур.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании ферромагнитной полупроводниковой гетероструктуры, состоящей из ферромагнитного при температурах выше комнатной бескластерного полупроводника с высокой намагниченностью насыщения, парамагнитного полупроводника и оптимизированного интерфейса между ними, и способа получения такой структуры.

Технический результат достигается тем, что ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура включает ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку легированного ванадием полупроводникового диоксида титана на полупроводниковой подложке, согласно изобретению пленка диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 18 ат.% по отношению к титану, имеет кристаллическую структуру рутила и удельное электрическое сопротивление в диапазоне 0.01 до 0.1 Ом·см или в диапазоне от 2 до 20 кОм·см и эпитаксиально выращена на монокристаллической подложке диоксида титана в той же кристаллической модификации так, что гетероструктура отвечает формуле TiO₂:V/TiO₂.

Сущность изобретения заключается в следующем:

- заявленные составы легированного полупроводника на основе диоксида титана обеспечивают сохранение высокой намагниченности материала при температурах выше комнатной и его удельное электрическое сопротивление в широком диапазоне, а использование определенных состава и кристаллографической структуры материалов пленки и подложки обеспечивают спиновую прозрачность интерфейса между ферромагнитным и парамагнитным полупроводником.

Обоснование заявленных параметров гетероструктуры состоит в следующем:

- для получения пленок ферромагнитного полупроводника используется металлическая мишень состава V_x Ti_100-х, где 3≤x≤18 ат.%. Диапазон концентраций легирования обусловлен тем, что при содержании ванадия менее 3 ат.% наблюдаются низкие значения намагниченности насыщения, а при содержании ванадия более 18% не гарантируется однофазный состав материала;

- процесс высокочастотного магнетронного распыления мишени проводится в смеси кислорода с аргоном с соотношением компонентов в диапазоне 1/150-1/200 при давлении в камере 10^-2 торр. При больших концентрациях кислорода в смеси получаемые пленки являются диэлектриком, а при меньших имеют металлическую проводимость;

- в качестве подложки используется полупроводниковый диоксид титана в кристаллографической модификации рутила.

Параметры получаемых пленок ферромагнитного полупроводника контролировались методом рентгеноструктурного анализа, локального рентгеноспектрального анализа (состав), методом фотоэлектрической спектроскопии (химическое состояние примеси ванадия), измерением удельного электросопротивления и измерением намагниченности методом вибрационной магнитометрии.

Заявленные характеристики ферромагнитной полупроводниковой гетероструктуры иллюстрируются следующими примерами.

Пример №1.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti_0.97 V_0.03 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода и аргона, равном 1/180, на подложку из полупроводникового диоксида титана в кристаллографической модификации рутила с ориентацией (001) при температуре 550°С. Скорость осаждения составляла 0.08 нм·с^-1. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Энергия связи фотоэлектронов для пика V2p3/2 в этом и последующих примерах всегда превышала 515.2 эВ по сравнению со значением 513.1 эВ для металлического ванадия, что свидетельствует об окисленном состоянии примеси ванадия в пленке. Удельное электрическое сопротивление пленки составляло 1×10^-2 Ом.см и намагниченность насыщения 1.2×10^-4 Гс·см³ (фиг.1, поз.1).

Пример №2.

Осаждение пленок проводилось, как в примере 1, но скорость роста задавалась равной 0.04 нм·с^-1. Удельное электрическое сопротивление полученной пленки 7×10³ Ом·см и намагниченность насыщения 1×10^-4 Гс·см³ (поз.2 на фиг.1).

Пример №3.

Осаждение пленок проводилось, как в примере 1, но скорость роста задавалась равной 0.06 нм·с^-1. При неизменных других параметрах удельное электрическое сопротивление полученной пленки составляло 15 Ом·см и намагниченность насыщения 1.7×10^-5 Гс·см³ (поз.3 на фиг.1).

Пример №4.

Осаждение пленок проводилось, как в примере 2, но температура подложки составляла 650°С. Удельное электрическое сопротивление полученной пленки 3×10³ Ом·см и намагниченность насыщения 4.1×10^-4 Гс·см³.

Зависимость намагниченности пленок от удельного электрического сопротивления представлена на фиг.2, который иллюстрирует возможность получения полупроводниковых пленок с высокой намагниченностью насыщения и высоким или низким удельным электросопротивлением. Подобная зависимость с двумя выделенными областями повышенной намагниченности ранее наблюдалась на пленках легированного оксида цинка (Phys. Rev. Lett., 2008) и согласуется с существующими теоретическими представлениями.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить следующий положительный эффект:

- возможность создания ферромагнитных полупроводниковых гетероструктур, включающих эпитаксиально выращенную пленку ферромагнитного полупроводника с высокой намагниченностью насыщения и необходимым удельным электросопротивлением на парамагнитной полупроводниковой подложке из материала, незначительно отличающегося по составу и не отличающегося по кристаллической структуре, что обеспечивает минимальный разрыв энергетических зон на интерфейсе и тем самым его спиновую прозрачность. Такие структуры могут эффективно использоваться в качестве согласованных инжектора и приемника поляризованных носителей заряда в приборах и устройствах спиновой электроники.

Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, включающая ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку легированного полупроводникового диоксида титана на полупроводниковой подложке, отличающаяся тем, что пленка диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 18% ат по отношению к титану, имеет кристаллическую структуру рутила и удельное электрическое сопротивление в диапазоне от 0,01 до 0,1 Ом·см, или в диапазоне от 2 до 20 кОм·см, и эпитаксиально выращена на монокристаллической подложке диоксида титана в той же кристаллической модификации так, что гетероструктура отвечает формуле TiO₂:V/TiO₂.