СПИНОВЫЙ ТРАНЗИСТОР
SPIN TRANSISTOR

Изобретение относится к области спиновой электроники (спинтронике), более конкретно к устройствам, которые могут быть использованы в качестве элемента ячеек спиновой (квантовой) памяти и логических информационных систем, а также источника спин-поляризованного излучения (лазером) в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне.
Известна многослойная структура, содержащая слой ферромагнитного металла, слой чистого кремния, затем снова слой ферромагнитного металла и слой кремния с примесями (I.R. Appelbaum, В. Huang, D. J. Monsma "Nature", v.447, p.295, 2007). К разным слоям этой структуры прикладывают специальное подобранное напряжение, управляющее током электронов. Поток электронов на входе не поляризован, но после прохождения ферромагнитного слоя он приобретает поляризацию, то есть становится спиновым током. Попадая в слой из чистого кремния, электроны проходят значительную дистанцию, и затем попадают во второй слой ферромагнетика и выходят наружу. Экспериментально доказано, что спин-электронный ток проходит дистанцию в 350 мкм, что является вполне приемлемым макроскопическим размером. Степень спиновой ориентации на выходе устройства достигает 31%.
Однако рабочие температуры известного устройства ограничиваются 180 К, что значительно ниже комнатной.
2
3
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является спинтронное устройство, в основе работы которого положен контакт ферромагнетик/GaAs (Патент США 7244997, МКИ H01L 29/82, 2007). Известное устройство по принципу работы представляет собой спин-волновой транзистор, светогенерирующие параметры которого в силу большой разницы удельных электросопротивлений ферромагнетика и GaAs, достигающей величины в 6-8 порядков, определяются процессами рекомбинации спин-поляризованных носителей тока на квантовых ямах коллектора - монокристаллического n-GaAs. Известное устройство допускает получение на своей основе спинового транзистора путем создания диэлектрической базы между ферромагнетиком (Cu, Co, NiFe) и полупроводником GaAs, выполненной из оксида металла AIO, и использования регулирующего напряжения база - коллектор.
Однако известное устройство не будет работоспособно при комнатной температуре в силу того, что большая разность удельных электросопротивлений в граничном слое эмиттер - база является причиной спин-флипа и деполяризации спинового тока.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать спиновый транзистор, характеризующийся достаточно высокими параметрами спин-поляризованного тока при комнатной температуре.
Поставленная задача решена в предлагаемом спиновом транзисторе, содержащем эмиттер спинов, выполненный из ферромагнетика, базу, выполненную из оксидного соединения, и детектор, выполненный из монокристаллического широкозонного полупроводника, в котором эмиттер спинов выполнен из тонкопленочного композита состава (EuO)Fe при соотношении EuO:Fe=(4÷6):1.
В настоящее время из патентной и научно-исследовательской литературы не известна конструкция спинового транзистора, эмиттер спинов которого выполнен из тонкопленочного композита состава (EuO)Fe при определенном соотношении EuO и Fe.
2
Предлагаемое устройство является полевым транзистором, работа которого основана на создании гетеро(или многослойной) структуры, содержащей эмиттер или спиновый инжектор (ферромагнитный полупроводник) и спиновый приемник (немагнитный полупроводник), в котором эмиттер (спиновый инжектор) выполнен из ферромагнитного полупроводника - тонкопленочного композита состава (EuO)Fe при определенном соотношении EuO и Fe, а детектор (спиновый приемник) выполнен из широкозонного немагнитного полупроводника (ширина запрещенной зоны Eg≥1,5 эВ), обладающего повышенным значением гиромагнитного отношения (g-фактора) для электронов проводимости (g≥50), например, InSb, GaAs, GaN. База предлагаемого транзистора выполнена из слоя оксида кремния SiO нанометровой толщины (10-30 нм).
Б
Б
В настоящее время основой существующих логических систем памяти микроэлектронных информационных систем являются полевые транзисторы на основе контакта М/П, где М - немагнитный металл, П - полупроводник, в основном, кремний, n- или p-типа. Работа известного полевого транзистора основана только на зарядовом токопереносе носителей по примесным уровням полупроводника и никак не зависит от их спиновой ориентации. Использование в качестве эмиттера полевого спинового транзистора ферромагнитного полупроводника - композита EuO:Fe заданного состава позволяет существенно понизить и свести до минимума высоту барьера на границе ФП/П в силу достигаемой близости удельных электросопротивлений эмиттера и детектора (разница в 1-2 порядка величины), что, в свою очередь, обеспечивает практически беззатратное по энергии туннелирование носителей заряда и спина из ФП в П. При этом выбор в качестве детектора - приемника спинов - широкозонного немагнитного полупроводника, подобного GaAs, обладающего существенно повышенной величиной g-фактора для носителей заряда в нем, является необходимым условием для обеспечения значительного по энергии зеемановского расщепления примесных электронных уровней в его запрещенной зоне, определяемой соотношением: Е=µg Н (здесь µ - магнетон Бора, Н - внешнее магнитное поле). Это обеспечивает локализацию спин-ориентированных электронов на этих зеемановских уровнях и возможность их инверсной заселенности с выделением соответствующей энергии перехода.
На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства. Спиновый транзистор выполнен многослойным на основе гетероструктуры ферромагнитный полупроводник / немагнитный полупроводник. Первый слой выполнен из монокристаллической пластины, например, n-GaAs (детектор), обе поверхности которой для деоксидирования обработаны стандартным методом, применяемым в промышленной микроэлектронике, например, СВЧ плазменной обработкой. На внутреннюю поверхность пластины нанесен слой (10-30 нм) диоксида кремния, который является базой транзистора. На него напылен слой (от 300 до 1000 нм) композита состава (EuO)Fe при соотношении EuO:Fe=(4÷6):1, который является эмиттером (спиновым инжектором). Электрические контакты, прикрепленные к внешней поверхности монокристаллической пластины и к внешней поверхности композита, выполнены из золота.
Измеряли вольтамперную характеристику (ВАХ) транзистора при комнатной температуре как в ненамагниченном состоянии эмиттера, так и в состоянии его намагничивания.
На фиг.2 приведена кривая намагничивания предлагаемой гетероструктуры, свидетельствующая о том, что насыщение ферромагнитного момента эмиттера наступает во внешнем магнитном поле величиной Н≈0,5 Тл.
На фиг.3 приведена ВАХ предлагаемого устройства. В отсутствие внешнего магнитного поля при ненамагниченном эмиттере эта характеристика типична для полевого транзистора. В случае намагничивания эмиттера до Н=0.2 Тл ток в коллекторе появляется уже при нулевом смещении на базе и по величине он уступает току коллектора при Н=0. Иными словами, он определяется той спиновой составляющей туннельного тока, которая совпадает с направлением намагниченности эмиттера - спинового инжектора. С подачей на базу напряжения смещения величина спинового тока также уменьшается.
0
H
Если рассматривать ток через коллектор в ненамагниченном состоянии эмиттера как только 100%-й зарядовый токоперенос (J), то оценить степень спинового токопереноса (Р) из намагниченного эмиттера (J) можно из соотношения:
,
К
что по данным фиг.3 определяется величиной Р≈70%, т.е. весьма значительной и, по-видимому, определяемой EuO-составляющей композита, поскольку ферромагнитный полупроводник EuO, температура Кюри которого Т=69 К, обладает в состоянии магнитного насыщения при Т=4,2 К 100%-й степенью спиновой поляризацией носителей заряда в своей структуре (А.C.Борухович "Физика материалов и структур сверхпроводящей и полупроводниковой спиновой электроники", Екатеринбург: УрО РАН, 2004).
На фиг.4 изображен внешний вид интегральной схемы на основе
предлагаемого спинового транзистора, созданной с использованием стандартных промышленных технологий.
Таким образом, использование в качестве эмиттера полевого транзистора ферромагнитного полупроводникового композита (EuO)Fe в контакте с широкозонным немагнитным полупроводником GaAs (InSb, GaN) позволяет создать комнатнотемпературный спиновый транзистор, рабочие характеристики которого управляются внешним магнитным полем. При этом степень спиновой поляризации носителей тока в нем достигает весьма значительной величины. Предлагаемое устройство может быть использовано для создания на его основе:
1) логических систем спиновой информатики с использованием методов литографии при подготовке рабочей поверхности детектора;
2) двухуровнего твердотельного лазера миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, частота излучения которого регулируется магнитным полем.
g
3) спинового оптоэлектронного устройства, поскольку эмиттер - композит (EuO)Fe - обладает при комнатной температуре шириной запрещенной щели E=0.72 эВ, а детектор - например, кристалл GaAs, светодиодные характеристики которого в данном случае определяются механизмом спиновых переходов между зеемановскими уровнями.