Спин-детектор свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур
SPIN DETECTOR OF FREE ELECTRONS ON BASIS OF SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в различных системах регистрации электронов, в частности в электростатических анализаторах, используемых в методе фотоэмиссии с угловым разрешением, а также может быть использовано как спин-инжектор в твердотельной спинтронике для поляризованных светодиодов и спин-транзисторов.
Известен спин-детектор свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур. Tereshchenko, О. Е. Magnetic and transport properties of Fe/GaAs Schottky junctions for spin polarimetry applications / Lamine, D. Lampel, G. Lassailly, Y. Li, X. Paget, D. Peretti, J. Appl. Phys. 109, 113708 (2011). В указанной работе была продемонстрирована возможность создания спин-детектора свободных электронов на основе гетероструктуры Pd/Fe/GaAs(001) с магнитным барьером Шоттки, который позволяет измерять средний спин пучка свободных электронов в вакууме.
Указанный спин-детектор свободных электронов состоит из GaAs полупроводниковой подложки с нанесенной на поверхность тонким слоем железа (4 нм) и палладия (4 нм). Слой железа играет роль спин-фильтра, слой палладия служит защитным покрытием для железа от окисления. Важным условием работы спин-детектора свободных электронов является наличие барьера Шоттки на границе Fe/GaAs. Магнитный барьер Шоттки в структуре ферромагнетик/полупроводник играет роль спин-фильтра, пропуская в основном электроны с направлением спина, коллинеарным вектору намагниченности слоя ферромагнетика.
Качественное объяснение эффекта «фильтрации» электронов по спину заключается в следующем. Известно, что длина свободного пробега электронов в намагниченном твердом теле при малых кинетических энергиях (Е<50 эВ) зависит от взаимной ориентации спина ("спин-вверх" и "спин-вниз") и магнитного момента слоя. Если направление спина электрона (спин-вниз), движущегося в пленке, и вектора намагниченности слоя противоположны, то рассеяние электронов (на электронах) сильнее, чем при совпадении направления вектора намагниченности и спина электрона (спин-вверх), что и определяет разность в длинах свободного пробега электронов с противоположным спином. Различие в рассеянии электронов со спинами вверх и вниз обусловлено строением зонной структуры намагниченного ферромагнетика вблизи уровня Ферми. Сильное рассеяние приводит к большей потере энергии. Следовательно, при фиксированной толщине ферромагнитного слоя средняя энергия электронов со спином вверх оказывается выше, чем у электронов со спином вниз. В результате, через барьер на границе ферромагнетик/полупроводник проходят преимущественно электроны со спином вверх. Изменение намагниченности пленки или направления спина инжектируемых электронов приводит к изменению тока через барьер. Измеряемая разница в токе электронов со спином вверх и вниз пропорциональна поляризации пучка электронов. Таким образом, измеряя разницу в токе инжектируемых электронов при противоположных направлениях намагниченности пленки (или спина), можно измерить спиновую поляризацию электронного пучка. Изменение намагниченности пленки осуществляется внешним магнитным полем, создаваемым электромагнитом.
2
-7
2
Основную сложность при изготовлении структуры ферромагнетик-полупроводник представляет создание границы раздела ферромагнетик/ GaAs(001) с низкой плотностью дефектов и поверхностных состояний, поскольку для спин-детектора свободных электронов необходим магнитный барьер Шоттки сравнительно большой площади (0.5 см) с малыми токами утечки (10 А/см).
Основным недостатком данного типа спин-детектора является отсутствие возможности проведения измерений спиновой поляризации с пространственным разрешением. Низкая эффективность измерения спиновой поляризации. Невозможность измерения трех компонент спина в одной структуре.
Известен спин-детектор свободных электронов Li, X. Optical detection of spin-filter effect for electron spin polarimetry / Tereshchenko, O.E. Majee, S. Lampel, G. Lassailly, Y. Paget, D. Peretti, J. Appl. Phys. Lett. 105, 052402 (2014), который принят за прототип. Указанный спин-детектор свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур выполнен на подложке и состоит из эпитаксиальной гетероструктуры GaAs/InGaAs/GaAs с квантовой ямой /InGaAs/ вблизи поверхности GaAs, на которую нанесен тонкий слой железа (4 нм) и тонкий слой палладия (4 нм). Слой железа играет роль спин-фильтра, слой палладия служит защитным покрытием для слоя железа от окисления. В указанном спин-детекторе свободных электронов на основе полупроводниковой гетероструктуры, электроны, прошедшие ферромагнитную пленку и границу раздела Fe/GaAs, попадают в квантовую яму InGaAs, расположенную вблизи границы раздела, и рекомбинируют в квантовой яме с дырками с излучением фотонов, которые детектируются фотоумножителем. Таким образом, данный спин-детектор позволяет измерять среднюю спиновую поляризацию электронного пучка оптическим методом катодолюминесценции в режиме регистрации одиночных фотонов. Метод заключается в измерении разности интенсивностей катодолюминесценции от инжектированных электронов со спином вверх и спином вниз при изменении направления намагниченности пленки и/или поляризации электронного пучка. Поскольку легкая ось намагниченности железа лежит в плоскости поверхности, то фильтрация происходит только для электронов с поляризацией, лежащей в плоскости гетероструктуры.
Недостатком указанного технического решения является отсутствие возможности измерения поляризации электронов с пространственным разрешением, а также возможности измерения трех компонент спина в одной структуре (приборе), а также низкая эффективность измерения спиновой поляризации.
Техническим результатом изобретения является:
4
- возможность проведения измерения спиновой поляризации с пространственным разрешением, что позволяет увеличить эффективность измерения спиновой поляризации порядка 10 раз по сравнению с одноканальными спин-детекторами.
- возможность измерения трех компонент спина в одной структуре,
- повышение стабильности гетероструктуры Pd/Fe/GaAs (001) к деградации электрофизических и оптических свойств, а также возможность прогрева до температуры 200°С и отсутствие реактивации. Возможность прогрева спин-детектора до температуры 200°С важна, поскольку сверхвысоковакуумные системы требуют, как правило, отжигов до 200°С.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Технический результат достигается тем, что в спин-детекторе свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур, содержащих подложку, на которой последовательно выполнены барьерный слой, первый слой из GaAs или из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6, второй слой с квантовыми ямами из InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2 или GaAs, третий слой из GaAs или AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6, третий слой с квантовыми ямами из InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2, или GaAs, четвертый слой из GaAs или из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6, первый слой с квантовыми ямами из InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2 или GaAs, второй слой из GaAs, ферромагнитный слой и защитный слой.
В спин-детекторе на подложке из GaAs первый, второй, третий и четвертый слои, выполненные из GaAs, имеют толщину 20÷100 нм.
x
1-x
В спин-детекторе на стеклянной подложке первый, третий и четвертый слои, выполненные из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6, имеют толщину 20÷30 нм.
В спин-детекторе на стеклянной подложке второй слой, выполненный из GaAs, имеет толщину 20÷100 нм.
x
1-x
В спин-детекторе на подложке из GaAs первый, второй и третий слои с квантовыми ямами, выполненные из InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2, имеют толщину 5÷10 нм.
В спин-детекторе на стеклянной подложке первый, второй и третий слои с квантовыми ямами, выполненные из GaAs, имеют толщину 2÷5 нм.
06
04
В спин-детекторе на подложке из GaAs барьерный слой, выполненный из AlGaAs, имеет толщину 5÷500 нм.
06
04
В спин-детекторе на стеклянной подложке барьерный слой, выполненный из AlGaAs, имеет толщину 30÷500 нм.
В спин-детекторе ферромагнитный слой выполнен из Fe, или Со, или Ni толщиной 1÷10 нм.
В спин-детекторе защитный слой выполнен из благородного металла, например Pd, или Pt, или Аu, толщиной 1÷10 нм.
В спин-детекторе подложка выполнена стеклянной или из GaAs, причем подложка из GaAs имеет толщину 350÷500 мкм.
Первый, второй, третий и четвертый слои, выполненные из GaAs, имеют толщину 20÷100 нм. Наименьшая толщина этих слоев ограничивается эффектом туннелирования, а наибольшая - длиной спиновой диффузии.
x
1-x
x
1-x
Первый, третий и четвертый слои, выполненные из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6, имеют толщину 20÷30 нм. Вариация состава «х» AlGaAs в пределах 0.3<х<0.6 и толщины слоев с квантовыми ямами GaAs в диапазоне 2÷5 нм позволяют изменять длину волны люминесценции в пределах 700-800 нм. Диапазон 700-800 нм является удобным для регистрации излучения.
x
1-x
Первый, второй и третий слои с квантовыми ямами, выполненные из InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2, имеют толщину 5÷0 нм. Изменение состава и толщины слоев с квантовыми ямами в указанных пределах позволяет варьировать длину волны люминесценции в пределах 950÷1100 нм. Подложка из GaAs является прозрачной для диапазона длин волн 950÷1100 нм.
Первый, второй и третий слои с квантовыми ямами, выполненные из GaAs, имеют толщину 2÷5 нм. Вариация толщины слоев с квантовыми ямами из GaAs в диапазоне 2÷5 нм позволяет изменять длину волны люминесценции в пределах 700-800 нм. Количество квантовых ям ограничивается длиной спиновой диффузии электрона, которая составляет около 0.5 мкм.
06
04
Барьерный слой, выполненный из AlGaAs, имеет толщину 50÷500 нм для спин-детектора на подложке из GaAs. Толщина барьерного слоя не является критической, может варьироваться в широких пределах и определяется снизу толщиной, при которой отсутствует туннелирование носителей, а сверху - толщиной, при которой не происходит срыв роста пленки из двумерного в трехмерный из-за рассогласования постоянных решеток растущих слоев.
06
04
Барьерный слой, выполненный из AlGaAs, имеет толщину 300÷500 нм для спин-детектора на стеклянной подложке. Минимальная толщина определяется условием защиты структуры от окисления после роста, наибольшая толщина определяется отсутствием срыва роста пленки из двумерного в трехмерный рост из-за рассогласования постоянных решеток растущих слоев.
Ферромагнитный слой выполнен из Fe, или Со, или Ni толщиной 1÷10 нм. Толщина ферромагнитного слоя задается длиной спиновой диффузии и энергией электронов, прошедших защитный слой.
Защитный слой выполнен из благородного металла, например Pd, или Pt, или Аu, толщиной 1÷10 нм. Минимальная толщина определяется способностью к защите нижележащего ферромагнитного слоя от окисления, верхняя граница задается кинетической энергией налетающих электронов, при которой удобно работать (до 1 кэВ).
Подложка выполнена стеклянной или из GaAs, причем подложка из GaAs имеет толщину 350÷500 мкм. Толщина подложек определяется поставщиком подложек из GaAs для роста гетероструктур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Толщина подложки не является важным параметром в данном приборе. Подложка из GaAs является непрозрачной для люминесценции в диапазоне 700÷800 нм, поэтому исходная структура приваривается на стекле с удалением подложки по технологии изготовления фотокатодов с отрицательным электронным сродством. В качестве стеклянной подложки используется стекло для фотокатодных узлов толщиной около 5 мм. Толщина стеклянной подложки не является важным параметром в данном приборе и определяется механической прочностью.
4
Предлагаемый спин-детектор свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур позволяет измерить все компоненты спина электрона с пространственным разрешением по сечению электронного пучка. Возможность пространственного измерения поляризации электронов позволяет увеличить эффективность измерения спиновой поляризации порядка 10 раз по сравнению с одноканальными спин-детекторами.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и приведенными фигурами.
На фиг. 1 показано схематическое изображение спин-детектора свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур с пространственным разрешением, позволяющего измерять три компоненты спина: фиг. 1а - для спин-детектора на полупроводниковой подложке и фиг. 1б - для спин-детектора на стеклянной подложке.
На фиг. 2 показано схематическое изображение примера использования спин-детектора свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур с пространственным разрешением, позволяющим измерить три компоненты спина.
На фиг. 1 показано схематическое изображение спин-детектора свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур с пространственным разрешением, позволяющего измерять три компоненты спина: фиг. 1а - для спин-детектора на полупроводниковой подложке, где
1 - защитный слой, выполненный из благородного металла: Pd, или Pt, или Аu, толщиной 1÷10 нм;
2 - ферромагнитный слой, выполненный из Fe, или Со, или Ni, толщиной 1÷10 нм;
3 - второй слой  из GaAs, выполненный толщиной 20÷100 нм;
x
1-x
4 - первый, второй и третий слои с квантовыми ямами, выполненные из InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2,  толщиной 5÷10 нм;
5 - первый, третий и четвертый слои, выполненные из GaAs, толщиной 20÷100 нм;
0.6
0.4
6 - барьерный слой, выполненный из AlGaAs, толщиной 50÷500 нм;
7 - подложка полупроводниковая, выполненная из GaAs, толщиной 350÷500 мкм;
Фиг. 1б - для спин-детектора на стеклянной подложке, где
1 - защитный слой, выполненный из благородного металла: Pd, или Pt, или Аu, толщиной 1÷10 нм;
2 - ферромагнитный слой, выполненный из Fe, или Со, или Ni, толщиной 1÷10 нм;
3 - второй слой из GaAs, выполненный толщиной 20÷100 нм;
8 - первый, второй и третий слои с квантовыми ямами, выполненные из GaAs, шириной 2÷5 нм;
x
1-x
9 - первый, третий и четвертый слои, выполненные из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6, шириной 20÷30 нм;
0.6
0.4
10 - барьерный слой, выполненный из AlGaAs, толщиной 300÷500 нм;
11 - подложка стеклянная.
В спин-детекторе свободных электронов на основе полупроводниковой гетероструктуры (фиг. 1а) элементы расположены следующим образом.
0.6
0.4
x
1-x
x
1-x
x
1-x
На полупроводниковой подложке (7) последовательно выполнены барьерный слой AlGaAs (6), первый слой GaAs (5), второй слой с квантовыми ямами InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2 (4), третий слой GaAs (5), третий слой с квантовыми ямами InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2 (4), четвертый слой GaAs (5), первый слой с квантовыми ямами InGaAs с вариацией по составу 0.1<х<0.2 (4), второй слой GaAs (3), ферромагнитный слой (2) и защитный слой (1).
В спин-детекторе свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур (фиг. 1б) элементы расположены следующим образом.
0.6
0.4
x
1-x
x
1-x
x
1-x
На стеклянной подложке (11) последовательно выполнены барьерный слой из AlGaAs (10), первый слой из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6 (9), второй слой с квантовыми ямами GaAs (8), третий слой из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6 (9), третий слой с квантовыми ямами из GaAs (8), четвертый слой из AlGaAs с вариацией по составу 0.3<х<0.6 (9), первый слой с квантовыми ямами из GaAs (8), второй слой из GaAs (3), ферромагнитный слой (2) и защитный слой (1).
На фиг. 2 показано схематическое изображение примера использования спин-детектора свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур с пространственным разрешением, позволяющего измерить три компоненты спина, где
12 - источник электронов, служащий для получения измеряемого электронного пучка;
13 - компоненты измеряемой поляризации электронов относительно спин-детектора;
14 - спин-детектор, изображенный на фиг. 1;
15 - катушки электромагнита для намагничивания ферромагнитной пленки;
16 - рекомбинационное излучение из квантовых ям;
17 - четвертьволновая пластинка;
18 - линейный поляризатор;
19 - электронно-оптический преобразователь;
20 - ПЗС-камера.
Рассмотрим принципиальную схему измерения трех компонент спина (13) при инжекции спин-поляризованных электронов (12) в спин-детекторе (14) с пространственным разрешением путем регистрации изображения катодолюминесценции (16) электронно-оптическим преобразователем (19) и прибором с зарядовой связью (ПЗС-камерой) (20).
Катушки электромагнита (15) используют для намагничивания ферромагнитной пленки спин-детектора (14). Оптические элементы: четвертьволновая пластинка (17) и линейный поляризатор (18), расположенные перед электронно-оптическим преобразователем (19), используют для анализа поляризации люминесценции.
Рассмотрим работу спин-детектора свободных электронов на основе полупроводниковых гетероструктур.
Конструкция спин-детектора (Фиг. 1) в схеме измерения (Фиг. 2) позволяет измерить все три компоненты поляризации спина электронов с пространственным разрешением.
in
in
in
in
1
2
+
-
+
-
+
-
1
2
Для измерения компонент спина, лежащих в плоскости (S, S), используется методика, основанная на измерении разности интенсивности катодолюминесценции при изменении намагниченности ферромагнитного слоя (2) электромагнитом. Пара катушек электромагнита (15) устанавливается под углом 90 градусов относительно друг друга для намагничивания ферромагнитного слоя (2) в двух перпендикулярных направлениях с помощью катушек электромагнита (15). Падающие электроны теряют направление импульса и часть энергии в защитном слое (1) и попадают в ферромагитный слой (2). Электроны, прошедшие ферромагнитный слой (2) и границу раздела ферромагнетик / GaAs попадают в квантовые ямы (4, 8), расположенные вблизи границы раздела, где и рекомбинируют с дырками с излучением фотонов (16), которые усиливаются электронно-оптическим преобразователем (19) и регистрируются ПЗС-камерой (20), что позволяет измерять двумерную картину распределения интенсивности катодолюминесценции. В этом случае величина асимметрии поляризации определяется как А=(I-I)/(I+I), где Iи I - интенсивности катодолюминесценции с противоположной намагниченностью слоя. При измерении компонент S и S использование оптических элементов (17) и (18) в оптической схеме не требуется.
out
+
-
-
-
-
Для измерения третьей компоненты проекции спина электрона на нормаль (S) измеряется разность интенсивностей циркулярно-поляризованного излучения катодолюминесценции σ и σ с использованием оптических элементов (17) и (18) для анализа поляризации люминесценции. В этом случае величина асимметрии поляризации определяется как А=(Iσ+-Iσ)/(Iσ++Iσ), где Iσ+ и Iσ - интенсивности катодолюминесценции с правой и левой циркулярной поляризацией. Все три проекции поляризации измеряются с пространственным разрешением путем регистрации картины излучения с помощью электронно-оптического преобразователя (19) и ПЗС-камеры (20).
2
5
4
Важной характеристикой спин-детектора является пространственное разрешение. Максимальное пространственное разрешение, которое можно достичь в полупроводниковом спин-детекторе, определяется длиной диффузии заряда и спина в гетероструктурах. Длина диффузии заряда в структурах на основе p-GaAs составляет 3-5 мкм, длина спиновой диффузии - около 0.5 мкм. Это в 2-3 раза меньше размера ячейки микроканальной пластины (МКП), используемой для регистрации электронов в методе фотоэмиссии с угловым разрешением. Отсюда также видно, что пространственное разрешение будет определяться разрешением электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и/или размером пикселя прибора с зарядовой связью (ПЗС). Разрешение современных ЭОП составляет 50 штрихов на миллиметр, что на площади 3 см (рабочая область ЭОП) дает 7.5×10 дискретных точек (пикселов). Аналогичное число пикселов дает ПЗС-камера такой же площади с размером пиксела около 20 мкм. Таким образом, если сравнить с одноканальным детектором Мотта, использование предлагаемого типа спин-детектора приводит к увеличению эффективности детектирования как минимум в 10 раз.
-
-
-
0
0
Калибровка спин-детектора осуществляется следующим образом. На спин-детектор направляется пучок электронов с известным распределением компонент поляризации по сечению пучка. Для калибровки нормальной компоненты поляризации измеряется зависимость асимметрии поляризации катодолюминесценции А=(Iσ+-Iσ)/(Iσ++Iσ) от энергии налетающих электронов, где Iσ+ и Iσ - интенсивности катодолюминесценции с правой и левой циркулярной поляризацией. После чего находится так называемая функция Шермана S=A/P, где Р - известная поляризация электронного пучка. Далее находится максимальная величина S при определенной энергии. Данная энергия электронного пучка является оптимальной для работы спин-детектора. Для измерения поляризации нормальной компоненты нужно измеренную асимметрию поделить на S: P=A/S.
+
-
+
-
+
-
0
0
Для калибровки компонент, лежащих в плоскости детектора, измеряется величина асимметрии поляризации А=(I-I)/(I+I) от энергии налетающих электронов при намагниченности ферромагнитного слоя (2) в двух перпендикулярных направлениях с помощью электромагнитных катушек (15), где Iи I - интенсивности катодолюминесценции с противоположной намагниченностью слоя. После чего находится функция Шермана S=A/P, где Р - известная поляризация электронного пучка. Далее находится максимальная величина S при определенной энергии. Данная энергия электронного пучка является оптимальной для измерения поляризации в плоскости спин-детектора. Для измерения спиновой поляризации компонент в плоскости детектора нужно измеренную асимметрию поделить на S:P=A/S.