Конвертор спинового тока в зарядовый ток на основе гетероструктуры из перовскитов переходных металлов

Изобретение относится к приборам спинтроники и может быть использовано в информационных системах и радиотехнических устройствах СВЧ-диапазона. Конвертор спинового тока в зарядовый ток содержит образованную на кристаллической подложке гетероструктуру на основе тонких пленок перовскитов переходных металлов, включающую ферромагнитный слой стронций допированного манганита Lа_0.7Sr_0.3МnО₃ и детектирующий слой из 5d оксидной пленки SrIrO₃, и пленочные металлические электроды, связанные с электрической схемой управления и регистрации напряжения, при этом согласно изобретению гетероструктура имеет планарную геометрию, при этом кристаллическая подложка выполнена из галлата неодима NdGaO₃, кристаллографическая плоскость (110) которого совпадает с направлением вектора намагниченности сформированного на подложке слоя манганита Lа_0.7Sr_0.3МnО₃, а детектирующий слой из 5d оксидной пленки SrIrО₃ нанесен поверх упомянутого слоя манганита, причем пленочные металлические электроды размещены в одной плоскости и расположены на свободной поверхности детектирующего слоя. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности выходного сигнала при обеспечении технологичности процесса формирования структуры. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к приборам спинтроники и может быть использовано в информационных системах, а также в радиотехнических устройствах СВЧ диапазона.

Известен ряд устройств, предназначенных для генерации спинового тока и преобразования в зарядовый ток и выполненных на основе многослойных гетероструктур.

Так, описано устройство, основанное на спиновом эффекте Холла и переносе спинового момента в магнитном туннельном переходе (US 9691458 (В2), UNIV CORNELL, 22.09.2016). Оно включает магнитный слой, где генерируется спиновый момент, и электрически проводящую пленку, в которой происходит преобразование спинового тока в зарядовый за счет обратного спинового эффекта Холла. Устройство содержит магнитный туннельный переход, включающий в себя «свободный магнитный слой» с направлением намагниченности, которое может быть изменено посредством передачи прецессии магнитного момента, и электропроводящего магнитного слоя, проявляющая спиновой эффект Холла. Приложенный в плоскости устройства зарядовый ток, генерирует спин-поляризованный ток с магнитным моментом, лежащим в плоскости устройства. Направление намагничивания «свободного магнитного слоя» может переключаться спин-поляризованным током посредством передачи магнитного момента. Это устройство может быть реализовано в трех-терминальной конфигурации.

Недостатком устройства является сложность технологии. Судя по описанию, технология должна обеспечивать получение магнитных туннельных переходов с размерами 100×350 нм² из, например, CoFeB/MgO/CoFeB с толщинами слоев 3,8/1,6/1,6 нм на проводящем слое Та с толщиной 6,2 нм.

Известно также устройство преобразования спинового тока в зарядовый на основе ферромагнетика переходного 5d металла (US 9400316 В2, Fujiwara Kohei et al., 26.07.2016). Устройство накопления спинов включает в себя немагнитное тело, в котором аккумулируются инжектированные спины, и элемент-инжектор, который содержит устройство преобразования электрического тока в спиновой ток, предусмотренное на указанном немагнитном теле. Источник электроэнергии подает электрический ток на упомянутое устройство преобразования электрического тока в спиновой ток, генерируемый спиновым эффектом Холла. Недостаток - неконтролируемость параметров контактов между нанопроволоками, из которых сконструирован предложенный преобразователь электрического тока в спиновой ток.

В устройстве по патенту US 10923651(В2), NAT UNIV SINGAPORE, 16.02.2021, предлагается заменить обычно используемый немагнитный материал, например, платину, на материалы, совместимые с полупроводниковой технологией типа CuPt, либо топологический изолятор, который может повысить эффективность преобразования за счет обратного спинового эффекта Холла либо эффекта Рашбы. Однако известна плохая совместимость ферромагнетика и топологического изолятора при эпитаксиальном росте.

Наиболее близким к патентуемому устройству является устройство, основанное на спиновом эффекте Холла и эффекте передачи спинового момента (US 10566521 (В2), WISCONSIN ALUMNI RES FOUND, 18.02.2020 - прототип). Предлагается использование гетероструктуры Py/SrIrO₃/SrTiO₃ с эпитаксиально выращенным слоем SrIrO₃ на подложке из титаната стронция с генерирующим спиновый ток слоем пермаллоя.

Однако титанат стронция SrТiO₃ известен высокими потерями на сверхвысоких частотах и характеризуется высокой и температурно-зависимой величиной диэлектрической проницаемости. Кроме того, спиновый ток, инжектируемый из ферромагнитного материала, диффундирует к обеим сторонам тонкой проволоки, замыкающей цепи, даже в той части, где нет электрического тока. Данное обстоятельство является основным недостатком устройства. Приведенные данные свидетельствуют о низкой чувствительности выходного сигнала, преобразованного за счет обратного спинового эффекта Холла, что может, в частности определяться качеством границы, образованной между магнетиком и немагнитным материалом (слой пермаллоя выращен не эпитаксиально). Кроме того, конструкция данного устройства сложна для мультиплицирования на чипе.

Анализ показывает, что общим недостатком рассмотренных устройств является использование простых металлов, в которых проявляется сильное спин-орбитальное взаимодействие. Напыление металла происходит после изготовления эпитаксиальных слоев и разрывов вакуума, что приводит к неконтролируемости границы раздела, которая играет важную роль в формировании спинного тока и его конвертации в зарядовый. В частности, в устройстве-прототипе поверх эпитаксиально выращенной структуры SrIrO₃/SrTiO₃ напылена пленка платины.

Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков прототипа - повышение чувствительности выходного сигнала при обеспечении технологичности процесса формирования структуры, что является техническим результатом изобретения.

Технический результат достигается за счет использования гетероструктры из оксидного ферромагнетика и оксидного материала с высоким спин-орбитальным взаимодействием для обеспечения требуемой эффективности конвертации спинового тока в зарядовый. Указанное позволяет обеспечить:

- воспроизводимость характеристик гетероструктур при заданных параметрах технологических операций в процессе их изготовления в лабораторных условиях;

- управление параметрами преобразования спинового тока в зарядовый за счет изменения температуры, от которой зависит величина намагниченности ферромагнетика и, соответственно, требуемая частота СВЧ накачки;

- интегрируемость гетероструктур на одном чипе за счет применения известных методик формирования их геометрии и электромагнитной связи.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве подложки используется NdGaO₃ с ориентацией (110) для обеспечения эпитаксиального роста пленки манганита Lа_0.7Sr_0.3МnО₃, (LSMO) и SrIrO₃ (SIO). Направление вектора намагниченности пленки Lа_0.7Sr_0.3МnО₃ лежит в плоскости подложки. Толщины пленок определяются требованиям возбуждения ферромагнитного резонанса (ФМР) в La_0.7Sr_0.3MnO₃ и длиной диффузии спинного тока в SrIrO₃. Толщины пленок могут контролироваться длительностью процесса осаждения тонких пленок. Планарный размер структуры длина 1 и ширина w составляют величины от долей до десятков микрометров и определяют амплитуду преобразованного зарядового тока Iq. При приложении внешнего магнитного поля обеспечивается условие поглощения мощности СВЧ накачки за счет ферромагнитного резонанса. Тонкие пленки выращиваются либо с помощью лазерной абляции, либо методом магнетронного распыления при высокой температуре.

Существо изобретения поясняется на чертежах.

Фиг. 1 - структура гетероструктуры конвертора спинового тока в зарядовый.

Фиг. 2 - рентгеновский скан 2θ-ω пленки La_0.7Sr_0.3МnО₃, нанесенной на подложку (110) NdGaO₃.

Фиг. 3 - рентгеновский скан 2θ-ω пленки SrIrO₃, нанесенной на подложку (110) NdGaO₃.

Фиг. 4 - рентгеновский скан 2θ-ω гетероструктры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃ нанесенной на подложку (110) NdGaO₃.

Фиг. 5 - рентгеновский скан ϕ-сканирования при ψ=42,2° гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃ на плоскости (112) NdGaO₃. На вставке показан увеличенный участок скана в районе ϕ=39°.

Фиг. 6 - рентгеновский скан 2θ-ω скан для наклонной конфигурации ψ=42,2° и ϕ=128,9°.

Фиг. 7 - схематическое изображение кристаллических решеток SrIrO₃ и La_0.7Sr_0.3МnО₃ и гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃.

Фиг. 8 - угловая зависимость магнитного поля ферромагнитного резонанса для гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃ для следующих температур: 40 К (поз. 6), 150 К (поз. 7) и 300 К (поз. 8).

Фиг. 9 - схема протекания токов: спинового тока (10) и зарядового тока (11) в гетероструктуре SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃ и направления магнитных полей: постоянного (9) и СВЧ (12). Прецессия намагниченности (13) осуществляется под действием СВЧ поля.

Фиг. 10 - типичный сигнал напряжения, детектируемый на потенциальных выводах на пленке SrIrO₃. (14) - подгоночная кривая и экспериментальные точки, (15) - антисимметричная и (16) - симметричная части линии, вызванной анизотропным магнитным сопротивлением, (17) -вклад в напряжение за счет спиновой накачки.

На Фиг. 1 представлена структура конвертора спинового тока в зарядовый на основе манганита допированного стронцием La_0.7Sr_0.3MnO₃, который используется в режиме ферромагнитного резонанса как генерирующий спиновый ток элемент и материал с сильным спин-орбитальным взаимодействием; SrIrO₃ - использующийся в качестве детектора преобразованного спинового тока в зарядовый за счет обратного спин-Холл эффекта.

Конвертор формируется на подложке (110) NdGaO₃ (1). Для генерации спинового тока в режиме ферромагнитного резонанса используется пленка La_0.7Sr_0.3МnО₃ (2). Пленка SrIrO₃ (3) характеризуется высокой энергией спин-орбитального взаимодействия и используется в качестве детектора спинового тока, преобразованного в зарядовый ток. Выходное напряжение на структуре снимается с серебряных контактов (4) и регистрируется вольтметром (5).

Конвертор спинового тока в зарядовый формируется из тонких пленок на подложке (110) NdGaO₃ в виде гетероструктуры из перовскитов SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃. Направление вектора намагниченности пленки манганита, как правило, лежит в плоскости подложки. Стронциевый иридат, имеющий формулу SrIrO₃, являясь парамагнитным полуметаллом, обладает сильным спин-орбитальным взаимодействием, что открывает возможности для осуществления спин-зарядовых трансформаций электронного транспорта, применимых для практического использования. При этом кристаллографические параметры SrIrO₃ близки к параметрам манганита La_0.7Sr_0.3МnО₃, что позволяет выращивать эпитаксиальные гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃ высокого качества. Тонкие пленки оксидов иридата SrIrO₃ и манганита La_0.7Sr_0.3МnО₃ осаждались на монокристаллические полированные подложки NdGaO₃ с размерами 5×5 мм2 и толщиной 0,5 мм. Эпитаксиальный рост пленок манганитов происходил при температуре подложки 800°С в смеси газов Аr и O2 (3:2) с давлением 0,3 мбара при мощности ВЧ генератора и магнетронной пушки 50 Вт.

Кристаллическая структура гетероструктур анализировалась с помощью рентгеновского дифрактометра. На Фиг. 2 показано рентгеновское 2θ-ω сканирование тонкой пленки SrIrO₃/NdGaO₃. Наблюдаемые пики соответствуют кратным отражениям от плоскости подложки (110) NdGaO₃ и плоскости пленки (001) SrIrO₃ (псевдокубическое обозначение). Из этого можно сделать вывод, что пленка растет с ориентацией плоскостей (001)SrIrО₃||(110)NdGaO₃ Аналогичную картину можно увидеть для пленки La_0.7Sr_0.3МnО₃/NdGaO₃ (Фиг. 3). Ориентация пленки (001) La_0.7Sr_0.3МnО₃||(110)NdGaO₃. 2θ-ω скан для гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃/NdСаО₃ является суперпозицией сканов однослойных пленок (Фиг. 4). Следовательно, для гетероструктуры плоскости растут таким образом, что (001)SrIrO₃||(001) Lа_0.7Sr_0.3МnО₃||(110)NdGаО₃.

На Фиг. 4. показано рентгеновское ϕ-сканирование при угле наклона ψ=42,2° и 2θ=38,5° для гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3МnО₃ для плоскости (112) NdGaO₃. Кроме четырех сильных пиков от подложки, разнесенных почти на 90 градусов (слабая орторомбичность NdGaO₃), наблюдаются отражения от плоскостей (110) SrIrО₃ и (110) La_0.7Sr_0.3МnО₃, пики совпадают и смещаются относительно подложки примерно на 0,3° (см. вставку на Фиг. 4).

На фиг. 5 показано ϕ-сканирование дифракции рентгеновских лучей (XRD) при угле наклона ψ=42,2° и 2θ=38,5° для гетероструктуры SIO / LSMO для плоскости (112) NGO.

Соответствующее 2θ-ω сканирование при ψ=42,2° и ϕ=128,9°, подтверждающее совпадение пиков, представлено на Фиг. 6. Из этих данных, можно сделать вывод, что рост гетероструктуры происходит по механизму «куб на куб» с малым поворотом решетки. Эпитаксиальные соотношения: (001) SrIrO₃ || (001) La_0.7Sr_0.3MnO₃||(110) NdGaO₃ и [100] SrIrO₃ || [100] La_0.7Sr_0.3MnO₃|| [001] NdGaO₃. Узкая кривая качания (FHMW=0,1-0,12°) для (002) SrIrO₃ свидетельствует о высоком качестве пленок.

Схематическое изображение кристаллической решетки SrIrO₃ и схема эпитаксиального роста гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ показаны на Фиг. 7.

На Фиг. 8 показана угловая зависимость резонансного значения магнитного поля Н₀ для гетероструктуры NdGaO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ при комнатной температуре и внешнем магнитном поле, повернутом вокруг нормали к плоскости пленки на угол. Угол измерялся от одной из граней подложки. Внешнее магнитное поле и магнитная составляющая СВЧ поля находились в плоскости пленки. Изменение резонансного поля при изменении угла связано с плоскостной магнитной анизотропией гетероструктуры SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃. Угловая зависимость описывалась резонансным соотношением (1) с учетом магнитной одноосной и кубической анизотропии.

Здесь М₀ - равновесная намагниченность, K_u и K_с - константы одноосной и двухосной кубической анизотропии, соответственно. ϕ_u и ϕ_с -углы между легкими осями одноосной и кубической анизотропии и внешним магнитным полем, соответственно. K_u, K_с, М₀, а также углы ϕ_u и ϕ_с были получены путем аппроксимации угловой зависимости формулой (1).

На Фиг. 9. показана схема протекания токов: спинового тока (10) и зарядового тока (11) в гетероструктуре SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ и направления магнитных полей: постоянного (9) и СВЧ (12). Прецессия намагниченности (13) осуществляется под действием СВЧ поля. Результаты возникновения спинового тока в гетероструктуре SrIrO₃/La_0.7Sr_0.3MnO₃ при температуре 295 К показаны на Фиг. 10. СВЧ накачка производилась генератором Ганна на частоте 9 ГГц при мощности генератора 75 мВт. Амплитуда СВЧ накачки дополнительно модулировалась с частотой f_M=100 кГц. Напряжение, возникающее в слое SrIrO₃ за счет обратного спинового эффекта Холла и анизотропного магнетосопротивления в слое манганита, регистрировалось с помощью синхронного детектирования. Результирующее напряжение на выходе конвертора представляет собой комбинацию симметричной лоренцевой функции от спинового тока и двух компонент - антисимметричной и симметричной лоренцевой функции - от анизотропного магнетосопротивления.

где ΔН - полуширина линии на половине высоты, Н₀ - резонансное поле. Форма резонансной кривой содержит три вклада. Для разделения симметричного и антисимметричного вклада экспериментальные графики были аппроксимированы симметричной L(H) и антисимметричной функцией Лоренца L'(H) (выражение (2)) [A. Azevedo, L. Н. Vilela-Le^~ao, R. L. Rodr'iguez-Su'arez, A. F. Lacerda Santos, and S. M. Rezende Spin pumping and anisotropic magnetoresistance voltages in magnetic bilayers: Theory and experiment Physical Review В 83, 144402 (2011)]

где ϕ₁ - разность фаз между СВЧ током и намагниченностью. Для отделения сигнала, возникающего за счет спинового тока V_sp, от возникающего за счет анизотропного магнетосопротивления, проводились измерения зависимости симметричной части V(H) от угла между постоянным током и магнитным полем: (выражение (3))

В результате получались значения амплитуд V_sp и V_AMR⋅cos(ϕ₁). Изменение угла производилось за счет вращения магнита вокруг резонатора, внутри которого располагался изучаемый образец.

Пример реализации.

Конвертор спинового тока в зарядовый может быть сформирован на основе эпитаксиально выращенных пленок оксидных материалов. Для этого предлагается использовать известные методы лазерной абляции, магнетронного распыления и катодного распыления при высоком давлении кислорода. Для получения базовых пленок применимы подложки NdGaO₃ (NGO) с ориентациями (110).

Из-за рассогласования параметров кристаллической решетки может наблюдаться либо сжатие, либо растяжение выращенной пленки. Такой подход позволяет управлять свойствами эпитаксиально сформированных многослойных структур и получение базовых пленок с различными величинами плоскостной магнитной анизотропии. Для получения магнитных пленок можно использовать тонкие пленки оптимально допированного манганита Lа_0.7Sr_0.3МnО₃ (LSMO), которые при комнатной температуре обладают свойствами ферромагнетиков. Топология гетероструктуры конвертора спинового тока в зарядовый может быть сформирована известными методами фотолитографии, плазмо-химического и ионного-лучевого травлений.

Тонкие пленки в многослойных структурах с контролируемой толщиной от единиц до десятков нанометров могут быть эпитаксиально выращены без разрыва вакуума при высокой температуре нагрева подложки. Для нагрева и поддержания подложки при высокой температуре может быть использован нагреватель на основе элемента "ThermoCoax", состоящий из центральной жилы NiCr, коаксиальной оболочки из нержавеющей стали и изолирующей прослойки из порошкообразного MgO. Под крышку нагревателя с помощью серебряной пасты, обеспечивающей хороший термический контакт, вклеивается изолированная термопара Cu/NiCr. Для достижения хорошего термического контакта подложка также приклеивается к крышке нагревателя серебряной пастой.

Перед осаждением, после процедуры нанесения тонких пленок поверхность обрабатывается методами радиочастотного травления или ионно-лучевого травления в атмосфере Аr в зависимости от типа использовавшихся напылительных установок. Осаждение пленок проводится методами радиочастотного магнетронного распыления мишеней. Толщина пленки SrIrO₃ составляла - 10 нм.

Для формирования топологии гетероструктуры применяется фоторезист Shipley-1813 толщиной порядка 1 мкм, который после процессов засветки и проявления оставался в области перехода, образуя маску, через которую затем производилось травление поверхности многослойки. Для травления применяется плазмо-химическое травление в смеси CF₄ и О₂. Удаление пленок манганитной прослойки за пределами функциональной части гетероструктуры производится ионно-лучевым травлением с низкой энергией ионов Аr+250 эВ и плотностью ионного тока 0,2 мА/см², что уменьшает влияние ионной бомбардировки на поверхностный слой манганитной пленки.

Таким образом, приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о достижении технического результата - повышении чувствительности выходного сигнала при обеспечении технологичности процесса формирования структуры конвертора на основе гетероструктуры перовскитов переходных металлов. За счет использования гетероструктры из оксидного ферромагнетика и оксидного проводящего материала с высоким спин-орбитальным взаимодействием обеспечивается высокая эффективность конвертации спинового тока в зарядовый. Обеспечивается воспроизводимость характеристик при заданных параметрах технологических операций, изготовление прибора основывается на известных и доступных методах осаждения тонких пленок с контролируемой толщиной каждого слоя. Формирование прибора в планарной топологии позволяет его интеграцию в планарную широкополосную тонкопленочную структуру на одном чипе. Кроме того, имеется возможность управления параметрами преобразования спинового тока в зарядовый за счет изменения температуры, и, соответственно, выбор частоты СВЧ накачки.

1. Конвертор спинового тока в зарядовый ток, содержащий образованную на кристаллической подложке гетероструктуру на основе тонких пленок перовскитов переходных металлов, включающую ферромагнитный слой стронций допированного манганита Lа_0.7Sr_0.3МnО₃ и детектирующий слой из 5d оксидной пленки SrIrO₃, и пленочные металлические электроды, связанные с электрической схемой управления и регистрации напряжения, отличающийся тем, что гетероструктура имеет планарную геометрию, при этом кристаллическая подложка выполнена из галлата неодима NdGaO₃, кристаллографическая плоскость (110) которого совпадает с направлением вектора намагниченности сформированного на подложке слоя манганита Lа_0.7Sr_0.3МnО₃, а детектирующий слой из 5d оксидной пленки SrIrО₃ нанесен поверх упомянутого слоя манганита, причем пленочные металлические электроды размещены в одной плоскости и расположены на свободной поверхности детектирующего слоя.

2. Конвертор спинового тока в зарядовый ток по п. 1, отличающийся тем, что гетероструктура сформирована методом эпитаксиального выращивания тонких пленок в одной камере без разрыва вакуума, а топология гетероструктуры образована плазмохимическим и ионно-лучевым травлениями и выполнена на одной подложке совместно с электрической схемой управления и регистрации напряжения, отвечающей условиям мультиплицирования и интеграции на одном чипе.

3. Конвертор спинового тока в зарядовый ток по п. 1, отличающийся тем, что металлические электроды выполнены из серебра, при этом планарный размер структуры: длина 1 и ширина w составляют величины от долей до десятков микрометров.