Магнитные полупроводники и спиновые нанотранзисторы

Одной из основных задач спинтроники является интеграция магнитных систем в полупроводниковую микроэлектронику. Легкое управление спинами электронов в полупроводниках уже сегодня позволяет создавать два новых класса гибридных материалов: магнитные полупроводники (гибридная структура ферромагнетик/полупроводник) и спин-электронные нанотранзисторы.

Широкие перспективы использования наногетероструктур обусловлены тем, что электронные спины полупроводника можно использовать в качестве детектора, реагирующего на изменения магнитного состояния в ферромагнетике. Так, при инжекции сквозь контакт ферромагнетика и полупроводника электроны полупроводника приобретают неравновесный спин, содержащий информацию о спине электронов в ферромагнетике. Для определения спиновой ориентации электронов в полупроводнике можно использовать как оптические, так и электрические методы детектирования.

Магнитные полупроводники.Общим для всех спинтронных устройств, описанных выше, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода – невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электронов из базы транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы свойствами как ферромагнетиков, так и полупроводников, – давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима, так как велико различие в характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой – легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Зонная структура магнитного полупроводника отличается от двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков наличием особой, третьей зоны, которая образуется d- и f-электронами атомов переходных или редкоземельных элементов. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь температуру Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с n-и p-проводимостью в одном монокристалле.

Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы (GaAs), в которых отдельные атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Mn²⁺. Наибольшая температура Кюри T_с = 110 К достигнута на сегодняшний день в магнитном твердом растворе GaMnAs с p-проводимостью. Этот материал был использован в качестве спинового инжектора (включая и нулевое внешнее магнитное поле) в электролюминесцентном диоде с немагнитной квантовой ямой InGaAs/GaAs.

В настоящее время идет интенсивный поиск новых ферромагнитных полупроводников с более высокой температурой Кюри, которые могли бы быть использованы в качестве спиновых инжекторов при температурах порядка комнатной и при слабом (или нулевом) внешнем магнитном поле. Наиболее интересные результаты в этом направлении представлены в работе (2003), в которой сообщается о наблюдении ферромагнетизма при T_с = 320 К в полупроводнике со структурой халькопирита CdMn_1-xGe_xP₂.

Рис.5.4.(а) Схема спинового транзистора Джонсона, (б) Схема спин-вентильного транзистора

Спиновый транзистор Джонсона. Развитие микроэлектроники способствовало быстрому переходу от двухконтактных спин-электронных устройств к трехконтактным системам, состоящим из двух ферромагнитных слоев, разделенных парамагнитной прослойкой, и проявляющим эффект гигантского магнитосопротивления. Такое устройство было названо транзистором Джонсона в честь его изобретателя, который подключил третий контакт к парамагнитному слою (рис. 5.4). Если говорить на языке биполярных транзисторов, то транзистор Джонсона состоит из базы (парамагнетик), эмиттера и коллектора (ферромагнетики). Если на коллектор подается потенциал, в цепи эмиттер–база происходит накопление электронов с ориентацией спинов вверх/вниз. Ток коллектора теперь будет зависеть от того, параллелен ли его магнитный момент или антипараллелен намагниченности эмиттера. Ферромагнитный эмиттер в данном случае играет роль поляризатора для накапливающихся спинов. Понятно, что для изменения потенциала в цепи эмиттер–база необходимо приложить внешнее магнитное поле, которое «переключит» вектор магнитного момента либо коллектора, либо эмиттера на противоположное направление.

Гибридная спинтроника. Транзистор Джонсона вполне работоспособен, но все же он имеет ограничения в использовании. Измеряемые значения напряжения очень малы, и увеличить их без привлечения дополнительных устройств не представляется возможным. Основной недостаток подобных структур состоит в том, что все контакты между слоями являются омическими, так как все компоненты структуры металлические. Другими словами, перед исследователями встал вопрос о создании нового класса структур – гибридных спин-электронных устройств. Такие устройства представляют собой интеграцию магнитных материалов с полупроводниками. Ферромагнетики поляризуют спины, а полупроводники позволяют использовать эффекты блокировки напряжения, токовой диффузии и туннелирования.

Транзистор Монсма. Первым гибридным спин-электронным устройством был транзистор Монсма, который представлял из себя спин-вентиль, заключенный между слоями кремния. Два контакта присоединены к слоям кремния (эмиттер и коллектор), а третий – к спин-вентилю (база) (рис. 5.4). Спин-вентиль в данной структуре может состоять из многократно повторяющихся магнитных и немагнитных металлических слоев. В интерфейсах между кремнием и металлом формируются барьеры Шоттки, которые поглощают напряжения смещения, приложенные между парами контактов (рис. 5.5). Барьер Шоттки коллектора является обратно смещенным, а эмиттера – с опережающим смещением. Это позволяет инжектировать неполяризованные «горячие» электроны от полупроводникового эмиттера в металлическую базу с энергией выше энергии Ферми. Возникает вопрос: смогут ли горячие электроны пройти сквозь спин-вентиль и сохранить достаточно энергии для преодоления барьера Шоттки коллектора? В противном случае они остаются в базе и перемещаются во внешнюю цепь. Изменяя магнитную конфигурацию базы, можно установить, сколько энергии теряют «горячие» электроны при проходе сквозь базу. Если магнитные моменты смежных слоев спин-вентиля выстроены антиферромагнитно, то оба типа спинов испытывают одинаковое рассеивание на магнитных слоях. Если к спин-вентилю приложить внешнее магнитное поле, которое выравнивает все магнитные моменты слоев, то один тип спинов (спины-вниз, или «минорные») рассеивается сильно, в то время как второй (спины-вверх, или «мажорные») проходит без рассеивания через всю магнитную структуру. Плотность таких электронов в зависимости от расстояния показана на рис.5.5.

Таким образом, видно, что при ферромагнитном выстраивании магнитных моментов большее число спинов с энергией выше энергии барьера коллектора проходит через базу. То есть, как и в случае с транзистором Джонсона, мы имеем дело с транзистором, электрическими характеристиками которого можно управлять меняя магнитное поле. Но в транзисторе Монсма рабочее напряжение и чувствительность к магнитному полю гораздо выше, что сильно расширяет его практическое использование.

(а) (б)

Рис.5.5. (а) Плотность состояний для «мажорных» спинов «горячих» электронов, энергия которых выше, чем энергия барьера Шоттки, как функция местоположения в базе. Толстая линия соответствует антиферромагнитному состоянию спин-вентиля, а тонкая – ферромагнитному; (б) SPICE-транзистор [US Patent Application NoUS6218718]

Транзистор Монсма является важным шагом в эволюции спинтроники. Это первая комбинация спин-электронных устройств с полупроводниками. Следует заметить, что полупроводники используются только для создания энергетических барьеров и экранирования спин-зависимой части устройства от электрических полей.

Для раскрытия всего потенциала гибридных устройств необходимо задействовать и полупроводниковые слои в процессе спин-зависимого транспорта.

SPICE–транзистор. Новым шагом в спинтронике явилось создание SPICE-транзистора (spin-polarized-injection current emitter transistor), т.е. транзистора с инжектированием спинполяризованного тока эмиттера в электрически экранированную область устройства (рис. 5.5). В итоге получено устройство с предварительным усилением мощности. Электрическими характеристиками SPICE-транзистора можно управлять меняя внешнее магнитное поле. Дизайн SPICE-транзистора может быть разным. К примеру, межфазные границы эмиттера и коллектора могут быть реализованы p-n-переходами, барьерами Шоттки либо спин-туннельными переходами.

(а) (б)

Рис. 5.6.(а) Принцип действия спин-полевого транзистора SFET, (б) схематическое изображение (верхний рисунок) и энергетическая диаграмма (нижний рисунок) спин-блокирующего устройства

Спин-полевой транзистор Датта-Даса (spin-field-effect transistor – SFET). В 1990 г. Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das) рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора, основанного на релятивистском эффекте. Устройство имеет конструкцию, подобную обычному полевому транзистору с контактами истока и стока (ферромагнетики) и затвором (полупроводник). Спин-поляризованные носители покидают исток со спинами, параллельными намагниченности ферромагнетика, и прецессируют при движении благодаря эффекту Рашба (рис. 5.6). При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1% от скорости света в вакууме. При достаточной величине напряженности магнитного поля (скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается. При варьировании потенциала на затворе можно изменять проводимость устройства. Данное устройство ведет себя как обычный полевой транзистор с той особенностью, что дифференциальная намагниченность его контактов (и, следовательно, его электрических характеристик) чувствительна к внешнему магнитному полю.

Новые эффекты в спинтронике: спиновая блокада. В конце прошлого столетия открыт новый эффект в устройстве, схема которого изображена на рис.5.6. Спин-блокирующая система состоит из кобальтовых контактов, между которыми помещаются ферромагнитные островки кобальта, меняющие направление намагниченности под действием внешнего магнитного поля. Например, на рис.5.6 показан барьер Шоттки при низкой температуре, который блокирует спины в таком устройстве. Величина магниторезистивного эффекта оставляет 25% при Т = 20 К, что является беспрецедентным случаем для устройств на основе кремния. Зонная структура состоит из барьера Шоттки, по краям которого помещен ряд магнитных островков, между ними устанавливается антиферромагнитная связь (и, следовательно, они блокируют проходящие спины) в отсутствие внешнего магнитного поля. В магнитном поле векторы намагниченности островков ориентируются вдоль поля и сопротивление структуры уменьшается из-за прыжковой туннельной проводимости между смежными островками. Воздействие оптическим излучением увеличивает сопротивление структуры, так как фотоны активизируют электроны островков, вследствие чего возрастает плотность энергетических состояний. Геометрия такой системы мало чем отличается от геометрии транзистора с высокой подвижностью электронов, в котором пропускная способность главного токового канала управляется локализованными состояниями в смежных, но физически разделенных областях устройства.