Магнитные полупроводники в спинтронике

В силу их квантово-механических свойств, носители в ферромагнитных материалах, таких как Fe, Co и Ni являются спин-поляризованными. Поляризация происходит из-за дисбаланса между электронами со спином, параллельным («вверх») и антипараллельным («вниз») намагниченности. Носитель сохраняет свою поляризацию спина до тех пор, пока он не столкнется с другим магнитным атомом или не провзаимодействует с решеткой за счет спин-орбитальной связи. До сих пор используются в основном ферромагнитные металлы как контактные электроды в диодных устройствах, хотя давно известно, что ферромагнитными свойствами обладает также ряд полупроводников, легированных ферромагнитными элементами. Один из основных барьеров, которые необходимо преодолеть для практического использования полупроводниковых устройств спинтроники, это разработка спин-поляризованных материалов с более высокой точкой Кюри и с более высокими функциональными свойствами, которые позволяли бы эффективно инжектировать спин-поляризованные носители, транспортировать, управлять ими в полупроводниковых гетероструктурах.

В конце 80-х годов был получен новый класс неравновесных слаболегированных магнитных полупроводников (СЛМП) на основе А3В5 и слаболегированных до концентраций в несколько атомных процентов [4]. Это открытие проложило тропинку от экспериментов по спиновой инжекции в ферромагнетиках к аналогичным исследованиям в полупроводниках [5]. С тех пор были исследованы многие материалы. Среди перспективных рассматриваются полупроводники А3В5 и А2В6, полуметаллические ферромагнитные оксиды и сплавы Гейслера.

В ранних работах по ферромагнитным Cr-легированным шпинелям и каменной соли, и Eu- и Mn- содержащим халькогенидам наблюдались интересные эффекты, связанные с комбинацией ферромагнитных явлений и полупроводниковых свойств. Однако проблема заключалась в относительно низкой температуре Кюри Т_с у этих материалов, обычно Т_с < ≈ 100 К. Ферромагнитные свойства СЛМП обеспечиваются 3 d- переходными или 4 f –редкоземельнымиэлементами оболочки. Типичные примеры: Cd_{1– x} Co _x Se, Ga_{1– x} Mn _x As, Pb_{1– x} Eu _x Te, в некотором отношении Si:Er. Интенсивные исследования СЛМП были начаты в конце 1970-х годов [6-8], когда высокоочищенный Mn был использован для роста массивных образцов А2В6(Mn) с помощью различных модифицированных методов Бриджмана. Быстрый прогресс в исследовании СЛМП в 1990-ые годы связан с использованием для роста кристаллов методов таких как молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), лазерной абляции, где реализуются условия далекие от равновесных. Такими методами достигаются существенно более высокие концентрации магнитных примесей, чем равновесный предел растворимости. В случае A3B5 компаундов, где дивалентные примесные атомы снабжают как спинами, так и дырками, использование низкотемпературного метода МЛЭ позволяет получить, допустим, Ga_{1– x} Mn _x As с x до 0.07 и концентрацией дырок более 10²⁰ см^–3. Обнаружение индуцированного носителями ферромагнетизма в соединениях А2В6, содержащих несколько процентов Mn [9,10], в которых T _с может превышать 100 К [11] и, последовавшее за этим предсказание [12] и обнаружение [13,14] ферромагнетизма в р-типах (A2, Mn)B6 материалов, открывает новые области исследований.

 

Переходные металлы в II–VI и III–V полупроводниках. Энергии d-уровней.

Вонсовским была предложена модель электронной структуры в материалах с локализованными магнитными моментами [15]. В соответствии с этой моделью имеется два типа электронных состояний: (1) обычные зона проводимости и валентная зона, построенные преимущественно из внешних s и p орбиталей атомов матрицы и (2) сильно локализованные состояния, обусловленные d-оболочкой переходных металлов. Два графика на рис.13.1 показывают донорные [D(0/+), треугольники] и акцепторные [А(0/-), квадратики] уровни (2)-го типа, соответственно, в полупроводниках II–VI и III–V. Относительное положение уровней примесных атомов и краев зон материалов установлено из электрических свойств гетероструктур [17,18]. Диаграмма на рис. 13.1 дает возможность оценить электрическую активность примеси данного переходного металла в данном материале и изменение зарядового состояния примеси при внедрении. В частности, примесь отдает электрон, если соответствующее донорное состояние находится выше дна зоны проводимости (например, Sc в CdSe), или дырку, если акцепторное состояние находится ниже верхнего края валентной зоны (например, Mn в GaAs). При этом в соответствии с правилом Хунда, локализованный на переходном металле спин должен принимать максимальное значение (см. главу III и таблицу 3.3).

 

Обменное взаимодействие между зоной и d-электроном.

Особые свойства СЛМП проистекают из сильного спин-зависимого взаимодействия между электронами в sp полосе полупроводника и электронами на d-оболочке примеси. Это взаимодействие является одной из форм обменного взаимодействия Гейзенберга с гамильтонианом H = - J sS [7,8,19,20], где J – обменный интеграл между спином основных носителей (s) и переходного элемента (S). В частности, s-электрон в зоне проводимости испытывает s-d обменное взаимодействие с энергией J_sd ≈ 0.2 эВ (для Sc в CdS, например). Энергия взаимодействия много слабее для дырок в валентной зоне, локализованных главным образом на анионах. Однако симметрия допускает гибридизацию p-дырок и d-состояний переходных металлов. Это приводит к спин-зависимому взаимодействию, т.н. кинетическому обмену, характеризуемому достаточно большой энергией |J_pd| ≈ 1эВ [7,8,19, 20]. Эта sp-d обменная связь приводит к расщеплению полос, пропорциональному намагничению М локализованного магнитного момента.

 

Замещающий Mn.

Равновесный предел растворимости переходных металлов в интересующих материалах низок. Необходимая концентрация достигается либо низкотемпературной эпитаксией, либо ионной имплантацией. Исключением является высокая растворимость Mn в полупроводниках II-VI. Это связано с тем, что d-состояние Mn не сильно возмущает sp³-связи матрицы, поскольку, как это видно из рис. 13.1, оба уровня, d⁵ (донорный) и d⁶ (акцепторный) располагаются, соответственно, заметно ниже и заметно выше краев зон. Таким образом, Mn не вносит и не связывает носители, но придает локализованный спин (S =5/2 за счет 3d⁵-орбитали в Mn²⁺, см. таблицу 3.3). В свою очередь, в III-V-соединениях, где Mn замещает трехвалентные катионы, образуется акцепторное состояние 3d⁴ в Mn³⁺ (см. таблицу 3.3) в валентной зоне, по крайней мере в антимонидах и арсенидах. В этом случае примесь поставляет как дырки, так и локализованные спины, поскольку основное состояние Mn соответствует конфигурации d⁵+h.

Одним наиболее важных параметров данной ферромагнитной системы является температура Кюри (или ферромагнетизма). На рис. 13.2. приведены экспериментальные данные (символы) и теоретические значения (кривые) для нормализованной температуры ферромагнетизма (Кюри) в функции волнового вектора на поверхности Ферми. Температура отнесена к концентрации (ат.%) Mn. Данные приведены дляGa_{1– x}Mn_xAs (темные треугольники) [11], Zn_1–xMn_xTe:N (темные квадраты)[14], квантовые ямы p-Cd_{1– x}Mn_xTe (кружки)[13,21], и Zn_{1– x}Mn_xTe:N:P (темные звездочки) [22]. Сплошные кривые – расчеты по многозонной модели Зенера [23] для 3D и 2D. Пунктирная кривая – расчет по модели RKKY (Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida) осцилляций [14].

Другим важным параметром, характеризующим ферромагнитные материалы, является степень поляризации Р носителей в зоне. Ниже мы увидим, что величина Р возрастает с ростом отношения величины зонного расщепления для намагниченности в насыщении локальных спинов к энергии Ферми. Теоретически Р может достигать 80% при низких температурах для типичных концентраций Mn и дырок в (Ga, Mn)As [23] и 100% сразу ниже T _C в модулированным образом легированном (Cd, Mn)Te, где концентрация дыр относительно мала [13,24]. В соответствии с теорией среднего поля, отношение спонтанной намагниченности к намагниченности в насыщении M/M _sat растет с уменьшением температуры по закону, описываемому функцией Бриллюэна, которая ведет к зависимости M/M _sat ~(T _C – T)^1/2 при T близком к T _C и 1- M/M _sat ~ T ^5/2 при T << T _C. Ввиду того, что концентрация носителей не увеличивается при понижении температуры соотношение между М и Р линейно и ни одна из этих величин не следует функции Бриллюэна.

На рис. 13.3 изображены кривые гистерезиса для (a) 5 K и (б) 25 K для параллельной (темные символы) и перпендикулярной (светлые символы) ориентаций эпитаксиальных слоев (Ga, Mn)As/GaAs(001) по отношению к внешнему магнитному полю. Обратный характер кривой гистерезиса свидетельствует о перевороте оси легкой намагниченности в интервале между этими двумя температурами.

Ферромагнетизм обнаруживается не только в прямых измерениях намагниченности, обычно демонстрируемых петлей гистерезиса, но и зависимостью эффекта магнитного циркулярного дихроизма (MCD-magnetic circular dichroism) от внешнего магнитного поля, как это продемонстрировано на рис. 13.4 для пленки Zn_1–xCr_xTe (x=0.20). Эффект MCD изображен в углах вращения вектора поляризации на единицу пути (1 см) света (Е = 2.2 эВ). Этот результат показывает, что ферромагнетизм в этом материале существует даже при комнатной температуре [27].

 

Полуметаллические ферромагнитные оксиды.

Полуметаллы – это необычные ферромагнетики, которые имеют электроны на уровне Ферми в односпиновом состоянии, либо по (­), либо против (¯) поля. Они являются, в принципе нормальными металлами, но электроны с противоположным спином имеют щель в их плотности состояний на уровне Ферми N(E_F), поэтому электроны только с одной ориентацией спина дают вклад в проводимость, т.е. носители имеют степень поляризации Р = 100%. Примером может служить CrO₂, наиболее изученный из них. Полуметаллические свойства теряются с увеличением температуры и концентрации дефектов. К полуметаллам, которые в настоящее время имеют наилучшие перспективы в спинтронике, относится также Fe₃O₄ и, возможно, окислы полупроводников, такие как ZnО, легированный Со (ZnО:Со).

Ни один (чистый) элемент не является полуметаллом. У кобальта и никеля расщепление d-полосы за счет обменного взаимодействия происходит таким образом, что все пять 3 d ­ подоболочек заполнены, и только 3 d ¯ подоболочки пересекают уровень Ферми. Однако, нерасщепленная 4 s полоса в зоне проводимости означает, что как ­, так и ¯ электроны присутствуют на E_F. Чтобы получился полуметалл, необходимо, чтобы дно 4 s -полосы поднялось выше E_F. Это можно сделать, сформировав оксид. В этом случае, сильное перекрытие 4 s -состояний металла и 2 p -состояний кислорода создают гибридизированную щель в несколько эВ. Состояния 3 d оказываются в щели.

К сожалению, мало оксидов являются металлами, еще меньше – ферромагнетиками, и немногие из этих имеют обменную энергию, чтобы соответствовать полуметаллам. Но даже тогда обмен может быть недостаточным, чтобы поднять точку Кюри выше комнатной температуры и дать возможность практического применения. Кандидаты для такого применения: CrO₂, Fe₃O₄, La_0.7Sr_0.3MnO₃ и Sr₂FeMoO₆.

 

Классификация полуметаллов.

На рис. 13.5 схематично изображены плотности состояний полуметаллов для спинов ­ (левая сторона) и спинов ¯ (правая сторона) для различных типов полуметаллов. E_F – уровень Ферми, E_μ – граница подвижности электронов, D - щель для электрона с определенным спином, и D_sf щель для опрокидывания спина. Отражены следующие типы полуметаллов. Тип I_A (например, CrO₂), рис. 13.5a, и тип I_B (например, Sr₂FeMoO₆), рис. 13.5б, имеют, в зависимости от того заполнена ли 3d полоса менее или более, чем на половину, только электроны ­ или ¯ на поверхности Ферми, со щелью для других направлений спина. Полуметаллы типа II, рис. 13.5в, подобны полуметаллам типа I, но имеют более узкие зоны. Электроны локализованы, формируют малые поляроны, имеющие малую подвижность и большую массу, проводимость реализуется путем прыжков с большим искажением окружающей решетки. Изображенная схема соответствует типу II_B (например, Fe₃O₄). Стехиометрические окислы типа I и типа II имеют целое число магнетонов Бора на ячейку.

Полное число (n­+n¯) есть целое число. Поскольку одна из подсистем ­ и ¯ имеет либо полностью заполненные, либо полностью вакантные подоболочки, которые разделены щелью, то (n­- n¯) также имеет целочисленное значение, стало быть n­ и n¯ тоже целые. Однако спин-орбитальное взаимодействие, дефекты, температура стремятся разрушить полуметалличность. Строго говоря вышеприведенные рассуждения справедливы для Т=0К. Тип III полуметаллов, рис. 13.5г, имеет смесь делокализованных электронов со одним спином и локализованных электронов с другим спином. Схема показана для полуметалла III_A (например, La_0.7Sr_0.3MnO₃). На иллюстрации слева от (a) схематично показан катион в конфигурации октаэдрического кислорода и расщепление одноэлектронного уровня в t_2g и e_g состояния. В твердом теле эти состояния расщепляются и дают 3d-полосы.

 

Методы анализа поляризации.

На рис. 13.6 схематично показаны применяемые методы анализа спиновой поляризации

P = {N_­(E_F) - N_¯(E_F)}/ {N_­(E_F) + N_¯(E_F)}, (13.1)

где N_­,¯(E_F) – плотности состояний с определенным направлением спина. Эти методы могут быть либо прямым спин-избирательным измерением плотности состояний, либо измерением спин-зависимого транспорта носителей. Большинство методов базируется на эффекте туннелирования или точечном контакте для транспорта электронов из исследуемого материала в пробный электрод, где спиновая поляризация анализируется. Часто спиновая поляризация определяется как взвешенная функция состояний

P = {N_­(E_F)w_­ -N_¯(E_F)w_¯}/{N_­(E_F)w_­ +N_¯(E_F)w_¯}, (13.2)

где w_­ и w_¯ - весовые функции (например, вероятность туннелирования в MTJ).

 

Фотоэмиссия. В методе спин-разрешающей фотоэмиссии электроны испускаются из поверхности материала и детектируются в вакууме, с использованием моттовского анализатора (детектора, чувствительного к спину электрона). Это наиболее прямой метод, но он ограничен по энергетическому разрешению и по глубине в пределах верхних 5-10 Ǻ материала, что делает анализ чувствительным лишь к поверхностным состояниям и примесям.

Магнитные туннельные переходы. Формируется планарный туннельный переход из двух ферромагнитных слоев, разделенных тонким изолирующим барьером, обычно Al₂O₃ или SrTiO₃. Поляризацию измеряют по электрическому сопротивлению такого сэндвича. Магнетосопротивление

MR = (R_p –R_ap)/R_ap, (13.3)

где R_p и R_ap – сопротивление в параллельной и антипараллельной конфигурациях. Значение Р получают в предположении, что каждый спиновый канал пропорционален соответствующей плотности состояний в каждом электроде. Если электроды одинаковы, то получается формула Джуллиер (Jullière):

MR = 2P²/ (1+ P²) (13.4)

Проблема заключается в чувствительности MR к электронным состояниям на поверхности и к выбору материала барьера [28]. Измеряемое MR – не столько свойство ферромагнетика, сколько характеристика конкретного устройства.

Точечный контакт. С помощью точечного контакта может реализоваться либо туннельный переход, либо баллистический транспорт. В обоих случаях, измеряется магнетосопротивление из которого определяется поляризация. Проблему контроля относительной ориентации двух ферромагнетиков можно обойти путем повторных измерений на многих различных контактах или на спрессованном из порошка образце, содержащем статистическое распределение контактов.

Сверхпроводящий туннельный переход (метод Тедрова-Месервея (Tedrow-Meservey)). Тедров и Месервей предложили использовать сверхпроводящий и ферромагнитный электроды для исследования плотности спиновых состояний [29]. Вероятность туннелирования пропорциональна свертке плотности состояний ферромагнетика и симметричной плотности состояний сверхпроводника, которые расщепляются в сильном магнитном поле. В качестве сверхпроводящего электрода часто используется алюминий, поскольку он имеет высокое критическое поле в тонкопленочной форме и его природная окисная пленка служит хорошим изолирующим барьером. Измеряется проводимость по которой рассчитывается поляризуемость. На рис. 13.7. приведен пример таких измерений с четырьмя ассиметричными максимумами. В первом приближении, спиновая поляризация ферромагнитного электрода вычисляется как

Р = [(σ₄ -σ₂) - (σ₁ -σ₃)] / [σ₄ -σ₂) + (σ₁ -σ₃)], (13.5)

где σ – проводимость.

Андреевское отражение в точечном контакте. В этом методе точечный контакт создается между сверхпроводником и исследуемым металлом либо механически, либо нанолитографически. Андреевское отражение – это процесс конверсии квазичастиц в сверхпроводящий ток при инжектировании электронов в сверхпроводник. Электроны могут войти как квазичастицы извне сверхпроводящей щели 2D, но в пределах щели электроны могут войти только как пары Купера с противоположным спином и волновым вектором. Этот процесс требует отражения дырок назад в металл. В результате, инжекция из металла с Р =0 удваивает проводимость при смещении в области щели, в то время как инжекция из полуметалла с Р =1 полностью блокируется и дает нулевой ток в щели [30]. Когда интерфейс чист, проводимость масштабируется линейно с Р, как показано на рис.13.8. Значение может быть определено с помощью отношения проводимости при нулевом смещении σ(0) и нормальной проводимостью σ_n, в соответствии с

σ(0)/ σ_n = 2(1-P). (13.6)

Когда интерфейс не чист, то необходимо анализировать всю кривую проводимости, используя модели, которые инкорпорируют рассеяние на интерфейсе для извлечения спиновой поляризации.

 

 

Эпитаксиальные сплавы Гейслера.

Идеальный материал спинтроники должен осуществлять транспорт носителей только одного спина через интерфейс без потерь спинов на опрокидывание, должен иметь температуру Кюри выше комнатной. Помимо этого, желательно, чтобы материал имел кристаллическую структуру и параметры решетки совместимые с полупроводниковыми материалами. Возможные кандидаты - сплавы Гейслера (Heusler alloys).

В 1898 г. Гейслер обнаружил, что некоторые сплавы марганца, меди и олова являются ферромагнетиками с намагниченностью, сравнимой с никилиевой. Позднее в работах Гейслера, его учеников и других авторов было установлено, что ферромагнитными свойствами обладают ряд других сплавов марганца. Установлено, что ферромагнетизм в этих сплавах связан с наличием β-фазы, существующей в определенной области концентраций. В частности, наиболее высокую намагниченность в системе Cu-Mn-Al проявляют стехиометрические сплавы Cu₂MnAl (B_s=5500 Гс), в то время как сплав Cu₃Al имеет магнитную индукцию насыщения всего лишь B_s=90 Гс.

Было установлено, что атомы алюминия в упорядоченном растворе занимают такие же положения, как и в решетке Fe₃Al. Атомы меди и марганца также занимают особые положения в решетке. Некоторые виды решеток гейслеровских сплавов (ГС) представлены на рис. 13.9. Представляя стехиометрический сплав как X₂YZ, где X и Y –переходные элементы, а Z – элементы III–V групп, его решетку можно описать как комбинацию четырех взаимопроникающих гцк-подрешеток с координатами узлов X₁(0,0,0), X₂(1/2,1/2,1/2), Y(1/4,1/4,1/4), Z(3/4,3/4,3/4). На рис. 13.9, узел X₁ смещен на (1/4,1/4,1/4) относительно начала координат. Если все узлы заняты и X₁= X₂, то такой сплав называют полным ГС, а соответствующая структура классифицируется как тип L2₁. Если отсутствуют атомы X₂, то такой сплав называют половинным ГС (1/2ГС) и относится к C1_b-типу. Решетка А3B5-материалов также может быть отнесена к 1/2ГС, в котором отсутствует Y-атомы, рис. 13.9.

Сплавы Гейслера – это большой класс материалов, привлекательных для полупроводниковой спинтроники с точки зрения соответствия решеток основным материалам полупроводниковой электроники. На рис. 13.10 показана зависимость параметров решетки от состава для некоторых сплавов Гейслера. Видно, что параметры решеток варьируются в достаточно широких пределах без изменения структуры, что позволяет хорошо интегрироваться с полупроводниковыми материалами.

 

Таблица 13.1. Температура Кюри некоторых сплавов Гейслера выращенных на Ga1–xAlxAs или InAs.
Сплав Гейслера	Ni2MnAl	Ni2MnGa	Ni2MnGe	Ni2MnIn1.7	Ni2MnIn	Co2NiGa	Co2MnGa
TC (K)

Магнитные материалы, основанные на L21 и C1b кристаллографических фазах с первого их рассмотрения Гейслером привлекали значительный интерес теоретиков и экспериментаторов. Его интерес фокусировался на необычном результате, что некоторые из этих материалов в кристаллографической фазе были сильными ферромагнетиками, но в то же время состояли из элементов, которые не являлись магнетиками. Большинство сплавов Гейслера – ферромагнетики с Тс ~ от 200К до 1100 К [31-33], таблицу 13.1.

Однако, интерес к ГС возрос еще больше после предсказания возникновения щели в зонной структуре ряда полу-гейслеровских сплавов (NiMnSb, PtMnSb) и полных гейслеровских сплавов (Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn, Fe2MnSi), что делает их полуметаллами и приводит до 100% поляризации на уровне Ферми. Высокая поляризация подтверждается экспериментально [34-39].

 

Зонная структура сплавов Гейслера

Рис.13.11. Зонная структура NiMnSb для (a) направление большинства и (b) направление меньшинства спинов [40].

Принципиальный прорыв в исследовании магнитных свойств гейслеровских сплавов был сделан в работе де Грота [40], в которой было обнаружено, что уровень Ферми в NiMnSb располагается в энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости для электронов с одной поляризацией спина и пресекает эти зоны для электронов с противоположной ориентацией спинов, рис. 13.11. Этот результат привел к систематизации соединений С1b, некоторые из которых образуют новый класс материалов - ферромагнитные полуметаллы. Как обсужделось выше - члены этого нового класса материалов проявляют свойства металлов (большая часть электронов) и свойства полупроводников (меньшая часть электронов), в зависимости от ориентации спинов. Как следствие, мы имеем здесь поразительную ситуацию, что электронная проводимость на уровне Ферми имеет 100% поляризацию. Это свойство может иметь место для некоторых электронов проводимости в ферромагнетиках, например для d- электронов Ni или для электронов V в VPd3. Но в гейслеровских материалах в необычно высокую поляризацию вовлечены все электроны проводимости.

Таким образом, схематично полуметаллы можно характеризовать как необычные ферромагнетики, которые имеют электроны на уровне Ферми в односпиновом состоянии, либо вверх ↑, либо вниз ↓. Они являются, в принципе нормальными металлами, но электроны с противоположным спином имеют щель в их плотности состояний на уровне Ферми N(E_F), поэтому они не дают вклада в проводимость. Поэтому носители имеют степень поляризации Р = 100%.

 

Инжекция и транспорт спина в полупроводниковых устройствах спинтроники

Традиционные подходы в микро(нано)электронике могут исчерпать себя к 2010 году [41]. Полупроводниковые гетероструктуры, которые используют спин как новую степень свободы, предлагают принципиально новые возможности и улучшают функциональные свойства традиционных устройств. Ключевыми факторами, определяющимим функционирование полупроводниковых устройств спинтроники, наряду со степенью поляризации, являются эфективность инжекции и транспорта спин-поляризованных носителей.

Эффективность спиновой инжекции можно повысить, используя барьеры Шоттки (электростатические барьеры, формируемые на границе металл/полупроводник из-за образования дефектов), которые могут действовать как туннельные барьеры, ослабляя влияние различия электрохимических потенциалов ферромагнитного металла и полупроводника на спин-поляризованный транспорт через границу. Это позволило достичь двухпроцентной эффективности спиновой инжекции в светодиод GaAs/(In,Ga)As из Fe-контакта при комнатной температуре. Для действенного решения проблемы необходимо, чтобы инжектором был ферромагнитный полупроводник или полупроводник, находящийся во внешнем магнитном поле. Тогда спиновая поляризация электронов может достигать практически 100% из-за обменного взаимодействия электронов проводимости с магнитной примесью. Поэтому наиболее перспективными для использования в качестве спиновых инжекторов представляются ферромагнитные полупроводники с высокими температурами Кюри, технологически совместимые со стандартными полупроводниками, полуметаллические ферромагнитные оксиды.

Одно из наиболее ранних предложений полупроводниковой спинтроники – спин-поляризованный полевой транзистор (spin FET) [42]. В нем контакты истока и стока – ферромагнитные, предназначенные для инжекции и детектирования спин-поляризованных электронов, транспортируемых в канале с высокой подвижностью. Проводимость в FET должна зависеть от ориентации спинов в канале, которая контролировалась бы намагниченностью затвора относительно намагниченности контакта стока, реализуя основанный на спине способ управления. Если намагниченности источника и стока контролируются независимо, используя методы, развитые для магнитной памяти, такое устройство неразрушаемым и программируемым образом оперировало бы со спином намагниченности как в виртуальном четырехконтактном приборе. Это предложение и другие концепции, включая спин-зависимые резонансные туннельные диоды (spin-RTDs) [43-48], стробированные спин-когерентные приборы [49,50], спин-поляризованные световые диоды (spin-LEDs) [51], и туннельные магниторезистивные устройства [52], стимулировали огромный интерес в этой быстро развивающейся области.

Уже упоминалось, что время жизни определенного состояния спина в пределах транспорта по прибору или диффузионная длина должны быть адекватными. В настоящее время уже получены длины диффузии спинового состояния в несколько микрон [53,54] и времена жизни >100 нс [55,56], например, в оптически накачанном GaAs. Продемонстрирован ряд успешных методов манипуляции [46,49,50] и детектирования [44,51,53,57-59] состояния спиновой системы. Однако, проблема эффективной и практически приемлемой инжекции примесей остается.

Схема спин-светового диода (spin-LED) показана на рис.13.11 [51]. Спин-поляризованные носители инжектируются из контакта, радиационно объединенного с полупроводником, в данном случае с квантовой ямой AlGaAs/GaAs(001). Если носители сохраняют свою спиновую поляризацию, испускаемый свет будет иметь циркулярную поляризацию. Квантовые правила отбора, описывающие радиационную рекомбинацию устанавливают прямую фундаментальную связь между циркулярной поляризацией света, испускаемого вдоль нормали к поверхности, P_circ, и спин-поляризацией электронов, P_spin [60,61]. Для QW-GaAs, P_spin = P_circ, в то время как для объемного GaAs, P_spin = 2P_circ. Таким образом, спин-диод позволяет количественно и модельно независимо анализировать поляризацию

спина носителей в полупроводнике, инжектированных из любого контакта или интерфейса.

Практическое использование спин-диодов: интегрированные химические сенсоры, или передача информации с помощью спин-кодов.

 

 

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: