Основы спинтроники

Прохождение спин-поляризованного тока сквозь контакт ферромагнетика с полупроводником

Рассмотрим теперь, что происходит на контакте ферромагнетика с полупроводником (рис. 1.17). Поскольку концентрация носителей заряда в полупроводнике намного меньше, чем в ферромагнитном металле, то из последнего в полупроводник диффундируют намного больше электронов. Динамическое равновесие устанавливается лишь тогда, когда на контакте сформируется значительный потенциальный барьер – "барьер Шоттки" (рис. 1.17,a). Из-за этого в области полупроводника, прилегающей к контакту, имеет место значительное искривление зон (валентной, запрещенной и зоны проводимости).

Рис. 1.17. Зонные диаграммы контактов ферромагнетик (ФМ) – полупроводник (П): (а) при отсутствии напряжения; (б) при наличии напряжения. (в) Зонная диаграмма структуры ФМ – Т – П (Т – туннельный переход);

Когда к контакту приложено небольшое напряжение U ("+" к полупроводнику), мало что изменяется. Сквозь барьер Шоттки электрический ток не течет до тех пор, пока напряжение не достигнет величины, близкой к высоте барьера. Тогда становится возможным туннелирование электронов сквозь узкий барьер (рис. 1.17,б).

Поляризованные электроны из ферромагнетика входят в полупроводник с энергией, намного превышающей тепловую. Такие "горячие" электроны очень интенсивно рассеиваются и быстро теряют ориентацию своих спинов. Поэтому инжекция спин-поляризованного электрического тока из ферромагнитного металла в полупроводник оказывается очень неэффективной.

Более эффективным в этом плане оказалась структура "ферромагнитный металл – туннельный переход – полупроводник" (рис. 1.17,в). Искривление зон в полупроводнике, отделенном от металла диэлектриком, незначительно. Если толщина диэлектрика очень мала (~1 нм), то уже при небольших напряжениях начинается туннелирование. Инжектированные спин-ориентированные электроны входят в полупроводник не такими "горячими", как в случае барьера Шоттки. И поэтому время их спин-релаксации значительно больше. Именно поэтому, например, в спин-транзисторе с полупроводниковой базой (рис. 1.6) между полупроводником и ферромагнетиками используют сверхтонкие туннельные переходы (на рис. 1.6 – из нитрида кремния).

Используя сверхтонкий туннельный переход, в 2007 г. на примере спин-транзистора, структура которого показана на рис. 1.18, было установлено, что инжектированные в высокочистый кремний спин-поляризованные электроны могут иметь довольно большое время спин-релаксации и диффундировать на значительные (в масштабах нано- и даже микромира) расстояния – до 350 мкм

Рис. 1.18. Структура, схема подключения экспериментального спин-транзистора на кремнии и соответствующая энергетическая диаграмма

На пластину высокочистого кремния (Si(пл.)) толщиной 350 мкм сверху был нанесен слой металлизации (Al/Cu) толщиной 10 нм, сверхтонкий туннельный слой Al₂O₃, слой ферромагнетика (CoFe) толщиной 10 нм и металлизация из алюминия (Al). Эта структура выполняла роль эмиттера спин-поляризованных электронов. Снизу на пластину кремния (Si(пл.)) были нанесены слои ферромагнетика (NiFe) и меди (Cu) оба толщиной 4 нм. На последнем был выращен слой кремния n-типа (n-Si) и омический контакт из индия (In).

Когда на эмиттер подавалось напряжение U_Э, из ферромагнетика (CoFe) в кремний через сверхтонкий туннельный барьер (Al₂O₃ и тонкий слой металлизации (Al/Cu) инжектировались электроны проводимости со спинами, ориентированными в направлении намагниченности ферромагнетика. Под действием напряжения U_К1, приложенного к коллекторному слою ферромагнетика (NiFe), эти электроны дрейфуют сквозь пластину кремния. Время их спин-релаксации и длина диффузии оказались достаточными, чтобы заметная их часть прошла к коллектору. Направление ориентации спинов можно было определить, изменяя направление намагниченности "свободного" ферромагнетика. В этом случае ток коллектора резко уменьшался. Слой кремния n-типа (n-Si) использовался для дополнительного усиления и более точного измерения сигналов [Huang B., Monsma D.J., Appelbaum I. // Physical Review Letters. – 2007. – V. 99. - 177209].

Ферромагнитные полупроводники

Туннельный переход, улучшая условия инжекции спин-поляризованного тока в полупроводник, все же создает повышенное электрическое сопротивление и требует увеличенных рабочих напряжений. Поэтому ученые обратили особое внимание на возможную альтернативу – на использование в качестве источника спин-поляризованного тока не металлических, а полупроводниковых ферромагнетиков – т.н. ферромагнитных полупроводников (ФП). Еще в 70-х годах ХХ в. изучались такие ФП, как халькогениды европия и шпинели типа CdCr₂Se₄ [Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. – М.: Наука. – 1979. – 431 с.]. Однако они обнаруживали ферромагнитные свойства лишь при низких температурах.

В последние два десятилетия ХХ в. интенсивно изучались т.н. "разбавленные магнитные полупроводники" (РМП, англ. diluted magnetic semiconductors, DMS). Это – классические полупроводники типа A₂B₆ и A₃B₅, сильно, до максимально возможной растворимости, легированные атомами переходных ("магнитных") металлов, чаще всего марганца (Mn – поскольку он имеет наибольшую растворимость). Обменное взаимодействие электронов из частично заполненных d- и f- оболочек магнитных ионов с зонными носителями заряда основного полупроводника существенно изменяет свойства последнего и приводит к появлению не только ферромагнетизма, но и многих новых явлений, которые могут быть перспективными для практических применений. Однако у большинства таких РМП температура Кюри оказалась ниже комнатной (напр., у Ga_0,95Mn_0,05SbTK = 110-250 K – в зависимости от технологии изготовления; у Ga_0,95Mn_0,05Sb TK = 80 K). И только у широкозонных полупроводников температура Кюри оказалась выше комнатной (у Ga_1-xMn_xN, напр., TK = 400 K). У GaN, легированного гадолинием (магнитный момент его атома равен 8 магнетонам Бора), тонкие пленки становятся ферромагнитными даже в случае, когда один атом гадолиния приходится почти на миллион ионов галлия и азота. Позднее оказалось, что, используя дополнительные легирующие элементы (Zn, Cd и др.), можно существенно повысить температуру Кюри также и узкозонных полупроводников (напр., на основе InSb-Mn: Zn, Cd удается получить непрерывный ряд РМП с TK = 320-400 K).

В последнее десятилетие синтезируется и изучается значительно более широкий спектр магнитных полупроводников. Ферромагнитные свойства при температурах выше комнатной выявлены даже у таких классических полупроводников, как кремний и германий, легированных марганцем или другими „магнитными" атомами. Здесь многое зависит от технологии легирования и от применения дополнительных легирующих элементов.

На контакте ферромагнитного полупроводника с обычным полупроводником такого же типа проводимости не возникает значительных барьеров (рис. 1.19,а,б). Если ФП и обычный полупроводник имеют разные типы проводимости, то возникает р-п-переход, прохождение электрического тока сквозь который возможно лишь в одном направлении (рис. 1.19,в,г). На рис. 1.19 кроме валентных зон (E_В1 и E_В2) и зон проводимости (E_П1 и E_П2) условно показаны также зоны d- и f- электронов (E_fd), которые обычно также присутствуют в ферромагнитных полупроводниках. В зависимости от их положения относительно уровня Ферми (E_Ф) они могут быть частично или полностью заполненными. Даже если они заполнены частично, электропроводность по таким зонам ограничена, так как f- и d- электроны имеют малую подвижность (большую эффективную массу).

Инжекция в полупроводник спин-поляризованного тока из ферромагнитных полупроводников оказалась намного эффективней, чем из ферромагнитных металлов, и степень его спин-поляризации может быть намного выше – вплоть до 100%.

Рис. 1.19. Зонные диаграммы контакта ферромагнитный полупроводник (ФП) – полупроводник (П) для случаев, когда (а) оба имеют п-тип проводимости; (б) оба имеют р-тип проводимости; (в, г) ФП и П имеют разные типы проводимости

В последнее десятилетие активно синтезируются и изучаются также ферромагнитные полупроводниковые нанокомпозитные материалы, в состав которых входят магнитные структуры с пониженной размерностью – наночастицы, ферромагнитные нанопроволоки, сверхтонкие ферромагнитные пленки, представляющие собой квантовые плоскости. Температуры Кюри для таких нанокомпозитных полупроводников могут существенно отличаться от температуры Кюри соответствующего „чистого" полупроводника. Кроме того, появляются возможности значительно изменять свойства системы с помощью внешнего магнитного поля

Спинтронные светодиоды

Используя эти достижения, удалось создать, например, прототипы спинтронных светодиодов и спиновых аккумуляторов.

Спинтронные светодиоды на основе -перехода в отличаются тем, что их излучение циркулярно поляризовано. Это связано с тем, что в область гетероперехода, где происходит рекомбинация, в отличие от обычных светодиодов инжектируются спин-поляризованные электроны проводимости или спин-поляризованные "дырки". В AlGaAs (в GaAs и в других полупроводниках этой группы) разрешены оптические переходы при рекомбинации электронов, имеющих спин +1/2, лишь с дырками со спином –1/2, или наоборот – электронов, имеющих спин –1/2, лишь с дырками со спином +1/2. Поэтому фотоны, которые при этом излучаются, имеют спин ±1, т.е. являются право- или лево-поляризованными. Это – чисто квантовый эффект. Динамика вращения электрического вектора в такой циркулярно поляризованной световой волне показана на рис. 1.20.

При поглощении циркулярно поляризованного света действуют те же самые правила отбора. В результате этого атомы, поглощающие циркулярно поляризованный фотон, переходят в состояния с магнитным квантовым числом, отличающимся на ±1 от исходного состояния. В ряде новейших технологий, о которых мы здесь не рассказываем, это свойство циркулярно поляризованного света используется для "оптического намагничивания" ансамблей атомов или для их "оптической накачки" – создания инверсной заселенности возбужденных состояний атомов.

Рис. 1.20. Динамика вращения электрического вектора в циркулярно поляризованной электромагнитной волне

Излучение спинтронных светодиодов можно модулировать с очень высокой частотой с помощью как электрических, так и магнитных воздействий. Преимуществом такого света как переносчика информации является то, что информацию здесь можно кодировать не только амплитудой, частотой или фазой, но и направлением циркулярной поляризации.

Спинтронные аккумуляторы

Структура прототипа спинового аккумулятора показана на рис. 1.21. На подложке из арсенида галлия p⁺ (p⁺-GaAs) последовательно нанесены слои GaAs:Be (20 нм), наночастицы ферромагнитного полупроводника MnAs диаметром около 3 нм, распределенные в матрице арсенида галлия толщиной 10 нм, туннельный барьер из арсенида алюминия (AlAs), тонкая пленка арсенида галлия (GaAs, 1 нм) и ферромагнитный слой MnAs толщиной 20 нм. Сверху сформированы контакты из золота к подложке и к слою MnAs.

Если наночастицы MnAs с помощью внешнего магнитного поля перемагнитить в направлении, противоположном направлению намагниченности магнитожесткого слоя MnAs (ферромагнетик с фиксированной намагниченностью), то за счет инжекции из него через туннельный переход спин-поляризованных электронов на внешних выводах возникает электрическое напряжение. Если замкнуть внешнюю электрическую цепь, то к ферромагнитным наночастицам MnAs "потекут" электроны, спины которых ориентированы в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика. Эти электроны, накапливаясь, приводят к постепенной переориентации ферромагнитных наночастиц. Если внешнюю цепь разомкнуть, то ток прекращается, а вместе с ним прекращается и перемагничивание ферромагнитных наночастиц.

Рис. 1.21. Структура прототипа спинового аккумулятора

Протекание тока в замкнутой внешней цепи поддерживается за счет энергии неравновесного намагничивания наночастиц. Когда все ферромагнитные наночастицы перемагничиваются в направлении намагниченности "фиксированного" ферромагнетика, ток прекращается. Для восстановления работы аккумулятора, ферромагнитные наночастицы надо снова перемагнитить в противоположном направлении. Таким образом, спин-аккумулятор запасает энергию не в химической форме, как обычные аккумуляторы, а в виде энергии намагниченности ферромагнитных наночастиц. С помощью внешнего магнитного поля спиновый аккумулятор можно заряжать бесконтактно. Такие аккумуляторы могут стать эффективным источником напряжения питания для спинтронных схем и для микроустройств, вживляемых в организм человека или животных.