СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ СПИНТРОНИКИ
METHOD FOR PRODUCTION OF FERROMAGNETIC SILICON FOR ITEMS OF SPINTRONICS

Изобретение относится к области получения структур, например, элементов памяти, необходимых для использования в микроэлектронике, системотехнике.
Объем передаваемой и хранимой информации лавинообразно нарастает год от года, что требует ускоренного развития новых технологических путей как в микроэлектронике, так и системотехнике. Ключевую роль в создании оперативных средств передачи больших объемов информации играют элементы памяти с высокой плотностью записи информации и скоростью ее передачи. Однако имеющиеся элементы памяти уже не удовлетворяют назревшим потребностям. Идеальным вариантом решения данной проблемы было бы создание нового типа энергонезависимой памяти с произвольным доступом, которая сочетала бы преимущества DRAM (динамическая энергозависимая память с произвольным доступом) памяти с высоким быстродействием и Flash памяти (энергонезависимая память с высокой плотностью записи информации). Пути к решению этой проблемы наметились недавно и связаны с использованием эффектов быстрого (~1 нс) переноса и преобразования спина в наноструктурах на основе ферромагнитных материалов, так называемых эффектов гигантского магнетосопротивления и спинового переноса магнитного момента - spin torque transfer (STT).
В настоящее время обсуждается наиболее простой путь построения памяти, основанный на использовании материалов, не вполне интегрируемых с кремниевой технологией. Однако маловероятно, что в обозримом будущем память такого типа составит конкуренцию по плотности записи существующей Flash памяти, в которой один Si МОП-транзистор используется одновременно как для хранения информации, так и для обеспечения произвольного к ней доступа. Кардинальное решение в построении сверхплотной и быстрой памяти с произвольным доступом заключается в создании спинового МОП транзистора с ферромагнитными контактами - перемагничиваемым истоком и пинингованным (трудно перемагничиваемым) магнитным моментом стока к проводящему каналу, позволяющему осуществлять хранение и считывание информации.
Именно на получение ферромагнитных материалов на основе Si, обладающих спиновой поляризацией носителей, легко интегрируемых в современную кремниевую технологию и пригодных для создания спиновых МОП-транзисторов, работающих при комнатной температуре, направлено данное изобретение.
Известен патент, в котором описана ферромагнитная гетероструктура для спинтроники, сочетающая полупроводниковые и ферромагнитные свойства с кремниевой технологией (патент РФ №2305723, опубл. 10.09.2007). Гетероструктуру получают вакуумно-термическим напылением на кремниевую подложку слоев марганца и диарсенида цинка с последующей термической обработкой. Технология изготовления является очень сложной, структура материала будет иметь большое количество дефектов, и, следовательно, низкую спиновую поляризацию.
21
22
-3
19
-3
Известно, что высокая степень спиновой поляризации может быть достигнута в полупроводниках при сильном их легировании (до 10-10 см) 3d переходными металлами (в основном Mn), существенно превосходящем предел его растворимости (≤10 см). В настоящее время наиболее распространенным способом получения таких магнитных полупроводников является очень дорогостоящий метод низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии (Н-МЛЭ).
1-x
x
2
3
За прототип принят способ получения ферромагнитного кремния (SiMn слоев), заключающийся в поочередном нанесении Si (толщиной 20 Å) и Mn (толщиной 1-2 Å) на сапфировую (AlO) подложку методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии (Н-МЛЭ), при этом температура Кюри ферромагнитного кремния превышает комнатную температуру (S.H.Chiu, H.S.Hsu, J.С.A.Huang, J. Appl. Phys. 103, 07D110 (2008)).
Данных по спиновой поляризации, в частности измерений аномального эффекта Холла, в данной работе нет. Исследовалась только намагниченность объектов, которая может однозначно указывать на наличие спиновой поляризации носителей лишь в однофазных магнитных полупроводниках в условиях непрямого обмена магнитных примесей посредством носителей заряда. На примере III-Mn-V полупроводников установлено (см.: В.В.Рыльков, Б.А.Аронзон, Ю.А.Данилов, Ю.Н.Дроздов, В.П.Лесников, К.И.Маслаков, В.В.Подольский. ЖЭТФ 127, 838 (2005)), что при наличии второй фазы (ферромагнитных нанокластеров MnAs или MnSb) гистерезис в намагниченности может наблюдаться при температурах выше комнатной. При этом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. С другой стороны, в однофазных магнитных полупроводниках существенную роль играет аномальный эффект Холла (АЭХ), который пропорционален намагниченности и целиком определяется спиновой поляризацией носителей. Поэтому наблюдение АЭХ в магнитном полупроводнике является важным критерием наличия спиновой поляризации носителей и возможности использования данного материала для создания устройств спинтроники. Между тем, в случае систем типа Si:Mn, потенциально пригодных для создания спиновых МОП транзисторов, данные по наблюдению АЭХ при повышенных температурах нам не известны.
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является получение ферромагнитного кремния с аномальным эффектом Холла, с сигналом намагниченности при комнатной температуре при удешевлении способа.
Для этого предложен способ получения ферромагнитного кремния для изделий спинтроники, заключающийся в поочередном осаждении в вакууме слоев кремния и 3d переходного металла на подложку, при этом осаждение проводят из лазерной плазмы, полученной импульсным лазерным испарением мишеней из соответствующего материала.
При этом устанавливают подложку в периферийной части потоков испаряемых материалов.
Осаждение слоев проводят при взаимном перемещении мишеней и подложки относительно друг друга.
При этом регулируют толщину напыляемых слоев и относительное содержание металла изменением потоков лазерного излучения на каждую мишень.
Облучение каждой мишени ведут своим источником импульсного лазерного излучения.
При использовании одной лазерной установки с помощью оптических призм и фокусирующих линз формируют два независимых потока лазерного излучения.
Метод импульсного лазерного осаждения существенно более экономичный и производительный, чем метод низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии Н-МЛЭ. Для практического использования ферромагнитного кремния, полученного методом осаждения из лазерной плазмы в вакууме (ОЛП), требуются слои с ровной поверхностью - высота неровностей на поверхности не должна превышать нескольких нм. Это требование определяет как параметры лазерного излучения, так и условия формирования эрозионного факела при испарении мишени.
Один из наиболее эффективных способов получения гладких поверхностей является испарение раздельных мишеней из двух источников импульсного лазерного излучения. При использовании одной лазерной установки с помощью оптических призм и фокусирующих линз формируются два независимых лазерных пучка.
Специальные исследования показывают, что в поперечном сечении эрозионного факела плотность и размеры капель уменьшаются от центра к периферии значительно быстрее, чем плотность ионизованных или нейтральных атомов. Поэтому появляется возможность контролируемого выравнивания рельефа поверхности растущих слоев, соответствующим образом ориентируя относительно подложки потоки испаряемых частиц.
На фиг 1 показано схематическое изображение установки лазерного вакуумного осаждения,
где 1 - установка лазерного импульсного излучения
2 - оптические призмы
3 - стеклянные пластины
4 - механические заслонки
5 - фокусирующие линзы
6 - подложка
7 - мишени
8 - измеритель мощности
9 - вакуумная камера
10 - пучки лазерного излучения
На фиг.2 приведены зависимости холловского сопротивления от магнитного поля
H
R(В) при T=77К и 300К. Видно, что данные зависимости носят существенно аномальный характер, свидетельствуя о преобладании АЭХ отрицательного знака над нормальным эффектом Холла и о существенной спиновой поляризации носителей.
21
-3
2
Зависимость приведена для слоя Si:Mn при 300°С. Оценка концентрации электронов и их подвижности при 77К (кривая 2) дают значения 3·10 см и 30 см/B·c соответственно. Ширина петли гистерезиса ~1 кГс.
На фиг.3 показана магнитополевая зависимость для указанного выше образца. Показано высокое значение для этого образца отрицательного магнетосопротивления, которое в поле H=8 кГс достигает ~1,5%.
Способ осуществлялся следующим образом.
Мишени 7 из кремния и металла, например марганца или железа или другого 3d переходного металла, испарялись, как показано на фиг.1, в вакуумной камере 9 раздельно из двух лазерных пучков 10, сформированных призмами 2 и фокусирующими линзами 5 при излучении импульсной лазерной установки 1. Плоскости вращающихся мишеней 7 выставлялись таким образом, чтобы на подложку 6 поступали только периферийные части потоков лазерной плазмы. Для получения более однородных по толщине слоев использовалось чередующееся поворачивание нагреваемого держателя с подложкой 6 на 5° и на 180°, как показано на фиг.1. Механические заслонки 4 служили для перекрывания лазерного излучения. С помощью стеклянных пластин 3 часть лазерного пучка отводилась на детектор измерителя мощности 8 для контроля за ее величиной. Толщина слоев составляет единицы нанометров, а сами слои имеют ровную и гладкую поверхность с высотой неровностей на поверхности, не превышающей нанометра.
Испарение мишеней проводилось с использованием лазерной установки LQ 529 (Беларусь, Минск, ЗАО "SOLAR LS"), позволяющей реализовать описанные выше условия.
Основные параметры лазера LQ529:
- длина волны излучения λ=1064 nm на основной гармонике; λ=532 nm на второй гармонике;
- энергия излучения (мДж) - 500 (1064 nm); 280 (532 nm);
- длительность импульсов (ns) - 10-12;
- частота повторения (Гц) - 10;
- диаметр луча (мм) - 8.
Для испарения мишени из Si использовалось излучение с λ=532 nm. Содержание 3d металла в суммарном потоке частиц на подложку 6 (на фиг.1 - затемненная область треугольной формы, примыкающая к подложке) зависит от соотношения потоков лазерного излучения на каждую мишень и может плавно изменяться перемещением призм 2 относительно выходного лазерного пучка. Контроль величины разделенных потоков ведется с помощью измерителя мощности 8 прибора ИМО-2, регистрирующего сигналы от отражающих стеклянных пластин 3.
Выращивание Si:3d слоев осуществлялось при температуре 300°С с использованием механических заслонок 3, время нахождения которых в открытом или закрытом состоянии определяет толщины отдельных слоев и относительное содержание 3d элемента.
9
2
Подложкой, на которую происходило осаждение испаренных слоев кремния, служил высокоомный (чтобы не искажать результаты проводимых измерений выращенного на ней слоя) кристаллический кремний с тщательно очищенной поверхностью с помощью бомбардировки ее интенсивным потоком частиц лазерной плазмы, поступающих на поверхность под некоторым углом в течение ~30 мин в той же вакуумной камере 9. Плотность мощности излучения на испаряемой мишени из кремния - 10 Вт/см. Эпитаксиальные слои кремния выращивались также на монокристаллических подложках из сапфира, ориентированных в плоскости (1102), и из полуизолирующего GaAs (100). В обоих случаях мишенями служили монокристаллические пластины кремния марки КЭФ-10,5 и КДБ-12.
Содержание 3d элемента в Si:3d слоях определялось электронно-зондовым методом при ускоряющем напряжении около 30 кВ.
Технология получения указанного ферромагнитного кремния была реализована с использованием одного лазера, с помощью формирования двух независимых лучей, каждый из которых направлялся на соответствующую мишень.
С помощью лазерного вакуумного напыления был получены образцы ферромагнитного кремния, легированного железом, а также образцы кремния, легированные марганцем. Они представляют собой наноструктуры из чередующихся слоев Si:Fe в первом случае и Si:Mn во втором, причем расстояние между слоями составляет от десятых долей до единиц нанометров, а сами слои имеют ровную и гладкую поверхность с высотой неровностей на поверхности, не превышающей нескольких нанометра. Образец обладал ферромагнитным упорядочением при комнатной температуре с высокой степенью спиновой поляризации. Он имел слабо выраженный электронный тип проводимости при комнатной температуре. При Тизм=77 К проявлялась отчетливо выраженная дырочная проводимость.
Таким образом, с помощью предложенного способа можно получить ферромагнитный кремний, характеристики которого позволят создавать изделия спинтроники, например элементы памяти, необходимые, в частности, для микроэлектроники.