МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ СПИНОВЫЙ СВЕТОДИОД
MAGNETORESISTIVE SPIN LED

Настоящее изобретение относится кполупроводниковым приборам, касается магниторезистивного спинового светодиода, в котором с помощью магнитного поля можно независимо управлять интенсивностью излучения и степенью циркулярной поляризации.
M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert. Phys. Rev. Lett.,
, 2472 (1998)
G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach. Phys. Rev. B,
, 4828 (1998)
P. Bruno, Phys. Rev. B,
, 13231 (1994)
61
39
49
Магниторезистивный элемент - прибор, работающий на основе явления спин-зависимого транспорта. Он состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных тонким слоем немагнитного материала. В одном из слоев ферромагнетика магнитный момент "закреплён", другими словами, намагниченность данного слоя намного менее чувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Другой слой ферромагнетика является "свободным" - его намагниченность может быть изменена внешним магнитным полем относительно малой напряженности. Если эти слои намагничены антипараллельно, сопротивление электрическому току в подобной структуре будет высоким вследствие дополнительного вклада спин-зависимого рассеяния ориентированных по спину носителей при переносе в слой с противоположной намагниченностью. Если же намагнитить слои параллельно, сопротивление уменьшится, т.к. при параллельном намагничивании спинов носителей и «свободного» слоя вклад спин-зависимого рассеяния существенно снижается (; ;). Таким образом, в подобном приборе возможно задание одного из двух устойчивых состояний, а именно - высокое и низкое сопротивление.
G. Schmidt, J. Phys. D: Appl. Phys.,
, R107 (2005)
M. Holub, P. Bhattacharya, J. Phys. D: Appl. Phys.,
, R179 (2007)
J. Zarpellon, H. Jaffres, J. Frougier, C. Deranlot, J. M. George, D.H. Mosca, A. Lemaıtre, F. Freimuth, Q.H. Duong, P. Renucci, X. Marie, Phys. Rev. B,
, 205314 (2012)
38
40
86
Спиновый светодиод - прибор, работа которого основана на инжекции спин-поляризованных носителей заряда. Принцип действия прибора заключается в электрической инжекции носителей с определённым значением спина, из намагниченного ферромагнитного инжектора в неферромагнитный полупроводник, в результате в последнем создаётся неравновесная спиновая поляризация носителей заряда. В данном приборе инжектированные спин-поляризованные носители рекомбинируют с испусканием циркулярно-поляризованного света. Параметром излучения является степень циркулярной поляризации (Р), которая меняется от -1 до 1 (причём «-1» соответствует излучению циркулярно-поляризованному по правому кругу, «+1» - по левому кругу, промежуточные значения -1<P<1 соответствуют излучению, содержащему обе компоненты циркулярной поляризации) (; ;). Таким образом, в подобном приборе также возможно задание одного из двух устойчивых состояний, а именно - правая и левая циркулярная поляризация излучения.
Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1987. - 209 с.
Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир, 1976. - 431 с.
Принцип переключения как магниторезистивного элемента, так и спинового светодиода применяется в системах кодирования информации, при котором информация представляется в виде двоичного кода - «логического нуля» и «логической единицы». Как правило, логическому нулю соответствует низкий уровень сигнала, логической единице - высокий. В качестве сигнала в микроэлектронике используется напряжение на элементе (), в оптоэлектронике - интенсивность оптического излучения (). В магниторезистивном элементе сигналом является напряжение на элементе, в спиновом светодиоде - степень циркулярной поляризации оптического излучения.
US 5874749 A, патенты KR 100527340 B1, RU 162411 U1
На сегодняшний день вопросы физики и технологии как магниторезистивных элементов, так и спиновых светодиодов рассматриваются, в основном, по отдельности. Так, среди спиновых светодиодов можно выделить приборы (например, заявка ), в которых возбуждение циркулярно-поляризованного излучения возникает за счёт инжектирования спин-поляризованных носителей заряда из ферромагнитного слоя.
Недостатками указанных приборов является невозможность управления интенсивностью электролюминесценции за счёт приложения внешнего магнитного поля, а также нахождение прибора только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.
заявки US20060091991A1, US20140332766A1, патент US6210810B1
Среди магниторезистивных элементов можно выделить приборы (например, ), в которых под воздействием магнитного поля изменяется сопротивление системы, поэтому такие приборы могут быть интегрированы в различные системы, включая, помимо прочего, системы обнаружения магнитного поля и устройства отображения.
Недостатком приведённых технических решений является отсутствие принципиальной возможности получения оптического излучения.
заявка US 20090250712 A1
Технологическое объединение магниторезистивного элемента (спинового клапана) и светодиода за счёт создания интегральной схемы низкой степени интеграции представлено в ряде патентов. Например, прибор (), в котором магнитный материал встроен в структуру светоизлучающего устройства. В таком устройстве, при приложении магнитного поля к светоизлучающему устройству можно повысить эффективность излучения света и увеличить яркость светоизлучающего устройства.
патент TW I412156 B
патент US 10636940 B2
Можно отметить прибор (), в котором магнитный материал встраивается в светоизлучающее устройство для изменения пути протекания и распределения плотности тока, в результате чего эффективность излучения света может быть увеличена, а распределение плотности тока остается однородным. Также, можно отметить прибор (), в котором встроенный магнитный слой может обеспечить улучшенную эффективность светоизлучающего устройства за счет применения магнитного поля для удержания электронов и дырок в активном слое с использованием силы, создаваемой магнитным полем, что увеличивает вероятность рекомбинации электрон-дырочных пар.
Недостатком указанных способов является невозможность получения циркулярно-поляризованного излучения, вследствие чего запатентованные приборы могут находиться только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство спин-поляризованных светоизлучающих диодов на основе органических биполярных спиновых клапанов, защищенное патентом US 9799842 B2, кл. H01L51/50, H01L51/52, H01L51/56, H01L51/00, опубл. 24.10.2017 г., принятое за ближайший аналог (прототип).
b
b
b
b
Устройство по прототипу является комбинацией органического светодиода и органического спинового клапана с ферромагнитными электродами. При использовании такого прибора без ферромагнитных электродов коэффициент бимолекулярный рекомбинации  (прямо пропорциональный интенсивности электролюминесценции) не зависит от магнитного поля, а доля тока, возникающая из-за комбинации электронов и дырок, обратно пропорциональна . При использовании ферромагнитных электродов, происходит инжекция спин-поляризованных носителей, и коэффициент  становится зависимым от магнитного поля. Поскольку в данном приборе при приложении внешнего магнитного поля изменяется взаимная намагниченность ферромагнитных электродов, соответственно изменяется и коэффициент , в результате чего изменяется интенсивность электролюминесценции органического светодиода. Таким образом, в подобном приборе с помощью внешнего магнитного поля можно управлять интенсивностью излучения.
Недостатками указанного прибора являются низкая модуляция электролюминесценции (~1%), а также невозможность получения циркулярно-поляризованного излучения. Вследствие последнего, запатентованный прибор может находиться только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.
Задачей изобретения является создание магниторезистивного спинового светодиода, испускающего электролюминесцентное циркулярно-поляризованное излучение и имеющего четыре устойчивых состояния.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение информационной ёмкости полупроводниковых элементов, являющихся ячейками памяти в схемах хранения, передачи и обработки информации.
x
1-x
x
5
Это достигается тем, что магниторезистивный спиновый светодиод содержит спиновый светодиод и магниторезистивный элемент, последовательно расположенные друг над другом, при этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, излучающий слой, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава InGaAs с содержанием In x=0,05-0,22, и полупроводниковый спейсерный слой из арсенида галлия, над полупроводниковой частью спинового светодиода выполнен тонкий диэлектрический слой, и ферромагнитный контакт Шоттки, выполненный из ферромагнитного сплава CoPt или ферромагнитного сплава CoPd, спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем, и слоем немагнитного металла, выполненным над ферромагнитным контактом Шоттки, над слоем немагнитного металла выполнен магниторезистивный элемент, включающий буферный слой из хрома, нижний ферромагнитный слой, немагнитный слой из меди, верхний ферромагнитный слой, и защитный слой из галлида марганца MnGa (x=2-3), базовый электрод к подложке, причем диэлектрический слой, ферромагнитный контакт Шоттки и слой немагнитного металла выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм, а вокруг контакта сформирована область, изолированная от протекания электрического тока; в спиновом светодиоде буферный слой выполнен толщиной 0,1-3 мкм, излучающий слой толщиной 1-100 нм, диэлектрический слой спинового светодиода выполнен толщиной 0,5-2 нм; полупроводниковый спейсерный слой выполнен либо из нелегированного арсенида галлия, либо арсенида галлия, слабо легированного донорной примесью, либо арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, толщиной 5-200 нм; ферромагнитный контакт Шоттки выполнен толщиной 5-20 нм, причем ось лёгкого намагничивания в указанном слое должна лежать перпендикулярно плоскости слоя; диэлектрический слой, отделяющий спиновый светодиод от магниторезистивного элемента выполнен толщиной 0,5-3 нм; слой немагнитного металла выполнен толщиной 5-100 нм из меди или из золота; в магниторезистивном элементе буферный слой выполнен толщиной 3-5 нм, нижний ферромагнитный слой толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой толщиной 2-10 нм, верхний ферромагнитный слой толщиной 0,2-4 нм, защитный слой толщиной 2-10 нм; нижний ферромагнитный слой и верхний ферромагнитный слой выполнены из ферромагнитного сплава CoFe, ось лёгкого намагничивания в указанных слоях лежит в плоскости слоя; соотношение толщины верхнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента к толщине нижнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента составляет не менее 2.
На фиг. 1 схематически показано (а) - поперечное сечение и (б) - вид сверху предлагаемого магниторезистивного спинового светодиода.
На фиг. 2 представлена схема маски для формирования слоёв 5, 6 и 8 - диаметр контактов составляет 0,05-1 мм; расстояние между контактами составляет 0,2-2 мм.
На фиг. 3 представлена зависимость изменения электрического сопротивления от продольного магнитного поля для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода от продольного магнитного поля. Температура измерений - 10 K. Напряжение на светодиоде - 2 В.
На фиг. 4 представлены графики магнитополевых зависимостей намагниченности для ферромагнитного контакта Шоттки из CoPt для случая поперечного (график I) и продольного (график II) магнитного поля. Температура измерений - 300 K.
На фиг. 5 представлены графики магнитополевых зависимостей для:
(а) - изменения интенсивности излучения; (б) - степени циркулярной поляризации для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода;
графики III и V - для случая поперечного магнитного поля;
графики IV и VI - для случая продольного магнитного поля.
Температура измерений – 10 K. Напряжение, прикладываемое к светодиоду - 3 В, ток светодиода в нулевом магнитном поле - 50 мА.
На фиг. 6 представлено пояснение принципа функционирования магниторезистивного спинового светодиода. Зависимости степени циркулярной поляризации от поперечного магнитного поля (график V) и изменения интенсивности излучения от продольного магнитного поля (график IV) для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода. Четыре устойчивых состояния:
состояние VII - низкая интенсивность, правая циркулярная поляризация;
состояние VIII - высокая интенсивность, правая циркулярная поляризация;
состояние IX - низкая интенсивность, левая циркулярная поляризация;
состояние X - высокая интенсивность, левая циркулярная поляризация.
Температура измерений – 10 K.
На фиг. 7 представлена технологическая схема изготовления магниторезистивного спинового светодиода.
Конструктивно магниторезистивный спиновый светодиод на фиг. 1 содержит:
1 - полупроводниковую монокристаллическую подложку;
2 - полупроводниковый буферный слой светоизлучающей структуры;
3 - излучающий слой;
4 - полупроводниковый спейсерный слой;
5 - диэлектрический слой - диффузионный барьер для атомов ферромагнитного металла;
6 - ферромагнитный контакт Шоттки;
7 - диэлектрический слой - диффузионный барьер для атомов Cr;
8 - немагнитный промежуточный слой металла;
9 - буферный слой магниторезистивной структуры;
10 - нижний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента;
11 - немагнитный слой магниторезистивного элемента;
12 - верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента;
13 - защитный слой;
14 - базовый электрод;
15 - изолированная область;
16 - направление протекания тока в структуре;
17 - внешнее продольное магнитное поле для управления интенсивностью излучения;
18 - внешнее поперечное магнитное поле для управления поляризацией излучения;
19 - линии, по которым структура раскалывается на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды.
Магниторезистивный спиновый светодиод состоит из спинового светодиода и магниторезистивного элемента, последовательно расположенных друг над другом.
x
1-x
При этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку 1, выполненную из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, прозрачную для инфракрасного излучения данного светодиода, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой 2, выполненный из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, толщиной 0,1-3 мкм, излучающий циркулярно-поляризованный свет слой 3, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава InGaAs с содержанием In x=0,05-0,22, толщиной 1-100 нм, полупроводниковый спейсерный слой 4, выполненный либо из нелегированного арсенида галлия, либо арсенида галлия слабо легированного донорной примесью, либо арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, с толщиной слоя 5-200 нм. Путём изменения содержания In x от 0,05 до 0,22 в слое 3 можно управлять длиной волны излучения. При увеличении количества In x больше 0,22 произойдёт релаксация упругих напряжений, что существенно ухудшит излучательные характеристики светодиода. Указанные диапазоны толщин полупроводниковых слоёв 2-4 обеспечивают оптимальные параметры спинового светодиода.
Также спиновый светодиод включает диэлектрический слой 5, выполненный над полупроводниковой частью из оксида алюминия, толщиной 0,5-2 нм, выполняющий роль диффузионного барьера для атомов ферромагнитного металла и необходимый для повышения спиновой инжекции, и ферромагнитный контакт Шоттки 6, который служит для инжекции спин-поляризованных носителей в излучающий слой 3. Указанный диапазон толщины диэлектрического слоя 5 обеспечивает оптимальные параметры инжекции спин-поляризованных носителей.
Спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем 7, выполненным из оксида алюминия, толщиной 0,5-3 нм, выполняющим роль диффузионного барьера для атомов Cr, и слоем немагнитного металла 8 толщиной 5-100 нм. Указанный диапазон толщины слоя 7 обеспечивает эффективный барьер для диффундирующих атомов Cr. Указанный диапазон толщины слоя 8 обеспечивает эффективное предотвращение обменного взаимодействия между слоями 6 и 10. Магниторезистивный элемент включает буферный слой 9, выполненный из хрома, толщиной 3-5 нм, который служит для закрепления намагниченности одного из слоёв и предотвращения диффузии атомов Co, нижний ферромагнитный слой 10, толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой 11, выполненный из меди толщиной 2-10 нм, разделяющий два ферромагнитных слоя магниторезистивного элемента, верхний ферромагнитный слой 12, выполненный толщиной 0,2-4 нм, защитный слой 13, выполненный из галлида марганца толщиной 2-10 нм, который служит для механической защиты и предотвращения окисления структуры. Указанные диапазоны толщин слоёв 9-12 являются оптимальными для работы магниторезистивного элемента. Указанный диапазон толщины слоя 13 обеспечивает эффективную защиту магниторезистивного спинового светодиода от механических повреждений и окисления.
Слои 5, 6 и 8 выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм. Указанный диапазон диаметра контакта является оптимальным для работы магниторезистивного спинового светодиода: отсутствия искажений магнитного поля, снижающих стабильность работы, с одной стороны, и отсутствие значительных токов утечки, снижающих эффективность электролюминесценции, с другой стороны.
В слоях 1-4 в области вокруг контакта выполнена изолированная область 15.
Ферромагнитный контакт Шоттки 6 может быть выполнен из ферромагнитного сплава CoPt, либо ферромагнитного сплава CoPd толщиной 5-20 нм, причем ось лёгкого намагничивания в указанном слое должна лежать перпендикулярно плоскости слоя. Указанный диапазон толщины ферромагнитного контакта Шоттки 6 обеспечивает оптимальные параметры инжекции спин-поляризованных носителей.
Слой 8 служит для предотвращения взаимодействия ферромагнитного контакта Шоттки 6 и нижнего ферромагнитного слоя 10. Слой 8 может быть выполнен из золота или из меди.
Слой 10 толщиной 0,1-2 нм и слой 12 толщиной 0,2-4 нм могут быть выполнены из ферромагнитного сплава CoFe, причём толщина слоёв должна быть различной для задания разной ширины коэрцитивного поля в указанных слоях. Ось лёгкого намагничивания в указанных слоях должна лежать в плоскости слоя.
Предлагаемый магниторезистивный спиновый светодиод в соответствии с технологической схемой, представленной на фиг. 7, изготавливают следующим образом.
x
1-x
5
На первом этапе выращивают полупроводниковую часть магниторезистивного спинового светодиода, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру. Для формирования используют метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и гидридов (МОС-гидридная эпитаксии - МОСГЭ). Структуры выращивают при атмосферном давлении в потоке водорода, температура выращивания составляет 500-650°C. Для формирования слоёв 2 и 4 из арсенида галлия используют триметилгаллий и арсин. Соотношение потока триметилгаллия к потоку арсина - 1,1-1,8. Для формирования излучающего циркулярно-поляризованный свет слоя 3, представляющего собой квантовую яму, выполненную из твёрдого раствора InGaAs, используют триметилгаллий, триметилиндий и арсин. Скорость роста слоёв составляет 1-10 А/сек. Для легирования слоёв 2 и 4 из арсенида галлия в процессе роста используют импульсное лазерное распыление мишеней непосредственно в реакторе (для создания арсенида галлия n-типа проводимости использую мишени кремния, для создания арсенида галлия p-типа проводимости используют мишени цинка). Мощность лазера, распыляющего мишени - 10 Вт, длительность импульса - 10 нс, частота лазерных импульсов - 10 Гц, длина волны лазера - 1064 нм.
-6
2
3
2
3
Далее структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме для нанесения на поверхность светоизлучающей гетероструктуры ферромагнитных контактов Шоттки, представляющих собой сплав CoPt, либо сплав CoPd, и немагнитной металлической прослойки для предотвращения обменного взаимодействия ферромагнитного контакта Шоттки 6 спинового светодиода и нижнего ферромагнитного слоя 10 магниторезистивного элемента. Рост производят при давлении остаточных газов 5*10 Торр. Сначала на полупроводниковом спейсерном слое 4 выращивают диэлектрический слой 5 из AlO при температуре 150-250°C для предотвращения диффузии атомов ферромагнитного металла и для повышения спиновой инжекции. Далее, при формировании слоя 6 из CoPt при температуре 200-400°C поочередно наносят слои Pt толщиной 0,2-1 нм и слои Co толщиной 0,1-0,8 нм, соотношение толщины слоя Pt к толщине слоя Co - 1,25-2,5, общая толщина пленки составляет 5-20 нм. При формировании слоя 6 из CoPd при температуре 150-400°C поочередно наносят слои Pd толщиной 0,2-1 нм и слои Co толщиной 0,1-0,8 нм, соотношение толщины слоя Pd к толщине слоя Co - 1,25-2,5, общая толщина пленки составляет 5-20 нм. Далее при температуре 50-100°C наносят слой 8 из немагнитного металла, например из меди Cu, или из золота Au, толщиной 5-100 нм. При формировании ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPt рост слоёв производят через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,05-1 мм, отстоящими друг от друга на 0,2-2 мм (фиг. 2). В результате формируют контакты диаметром 0,05-1 мм. При формировании ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPd после формирования слоёв 5 из AlO, 6 из CoPd и 8 из Cu или из Au наносят фоторезист, и производят фотолитографию по фотошаблону (фиг. 2). Затем слои 5, 6 и 8 в области вокруг участков, которые закрыты фоторезистом, стравливают, в результате формируют контакты диаметром 0,05-1 мм.
++
13
14
-2
-6
2
3
На следующем этапе, при изготовлении ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPt, контакты закрывают фоторезистом и производят фотолитографию по фотошаблону, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt (фиг. 2). При изготовлении ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPd дополнительная фотолитография не требуется. Затем с использованием ускорителя в области 15 производят имплантацию ионами He с энергией 10-40 кэВ, доза - 10-10см. Далее, без удаления фоторезиста, методом электронно-лучевого испарения в вакууме наносят слой 7 из диэлектрика AlO. Рост производят при давлении остаточных газов 5*10 Торр и температуре 150-250°C. Проведение имплантации для создания изолированной области 15 и нанесение слоя диэлектрика 7 необходимо для предотвращения растекания тока в полупроводниковой гетероструктуре, а также для создания диффузионного барьера для атомов хрома. После проведения имплантации и нанесения диэлектрика фоторезист удаляют.
-6
-5
-6
90
10
x
5
На следующем этапе структуру переносят в камеру для электронно-лучевого испарения в вакууме для нанесения магниторезистивного элемента, который состоит из буферного слоя 9 из хрома, двух ферромагнитных слоёв 10 и 12 из сплава кобальта и железа, и немагнитного слоя 11 из меди. Давление остаточных газов в камере составляет 5*10 Торр. Буферный слой хрома наносят при температуре 120-200°C, остальные слои магниторезистивного элемента наносятся при температуре 50-100°C. Для нанесения ферромагнитных слоёв магниторезистивного элемента из тигля распыляют сплав CoFe. Нижний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 10 выполняют толщиной 0,1-2 нм, верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 12 выполняют толщиной 0,2-4 нм, причём соотношение толщины слоя 12 к толщине слоя 10 выполняют не менее 2. Для формирования немагнитного слоя 11 толщиной 2-10 нм, разделяющего два ферромагнитных слоя магниторезистивного элемента, из тигля распыляют медь. Далее структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где формируют защитный слой 13 из GaMn методом импульсного лазерного осаждения в вакууме для защиты от повреждений и предотвращения окисления. Рост производят при давлении остаточных газов 10-10 Торр и температуре 200-400°C. Защитный слой GaMn выполняют толщиной 1-3 нм. Состав слоя соответствует химической формуле MnGa (x=2-3).
Сформированную структуру раскалывают по линиям 19 (фиг. 2) на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды таким образом, чтобы на каждом из них был один контакт.
На последнем этапе к каждому магниторезистивному спиновому светодиоду формируют базовый электрод 14, выполненный в виде омического контакта к подложке из Sn или любого другого материала, обеспечивающего омические свойства.
Полученный магниторезистивный спиновый светодиод работает следующим образом.
На верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 12 подается прямое по отношению к базовому электроду 14 электрическое напряжение, в результате чего через магниторезистивный спиновый светодиод протекает электрический ток 16. При этом носители заряда протекают через слои 9-12 магниторезистивного элемента и слои 4-8 спинового светодиода, ограниченные изолированной областью 15, в излучающий слой 3, рекомбинируют с носителями противоположного знака из подложки 1 с испусканием неполяризованного излучения (фиг. 1). Вывод излучения производится через подложку 1 магниторезистивного спинового светодиода (фиг. 1).
При введении магниторезистивного спинового светодиода в продольное магнитное поле 17, направленное вдоль поверхности слоёв структуры, сопротивление магниторезистивного элемента и, соответственно, всего магниторезистивного спинового светодиода изменится, максимальная величина изменения сопротивления составляет 4,3 % при температуре 10 K (фиг. 3). Варьирование сопротивления магниторезистивного элемента изменит величину электрического тока через структуру, а следовательно, и интенсивность излучения, максимальная величина изменения интенсивности электролюминесценции составляет 25% (графиком IV на фиг. 5(а)). При этом, приложение продольного магнитного поля практически не влияет на намагниченность ферромагнитного контакта Шоттки 6 (график II на фиг. 4) и, соответственно, не влияет на степень циркулярной поляризации магниторезистивного спинового светодиода (график VI на фиг. 5 (б)).
При введении структуры во внешнее поперечное магнитное поле 18 (направленное перпендикулярно поверхности слоёв структуры) намагничивается до насыщения ферромагнитный контакт Шоттки 6 (график I на фиг. 4). В результате в режиме электролюминесценции осуществляется инжекция спин-поляризованных носителей заряда из ферромагнитного контакта Шоттки 6 в излучающий слой 3 и рекомбинация с испусканием циркулярно-поляризованного излучения, максимальная величина степени циркулярной поляризации составляет 1,3% (график V на фиг. 5 (б)).
Меняя направление магнитного поля на противоположное, можно, перемагнитить ферромагнитный контакт Шоттки 6 и изменить знак циркулярной поляризации. В результате этого, светодиод будет испускать преимущественно право- или лево-циркулярно поляризованное излучение. Значение степени циркулярной поляризации электролюминесценции рассчитывается в соответствии с соотношением:
ЭЛ
+
-
+
-
P = (I(σ) - I(σ)) / (I(σ) + I(σ)),
ЭЛ
+
-
где P - степень циркулярной поляризации, I(σ) и I(σ) - интенсивности излучения, поляризованного по левому и правому кругу соответственно. При этом приложение поперечного магнитного поля не влияет на интенсивность излучения магниторезистивного спинового светодиода (график III на фиг. 5 (а)).
Интенсивность излучения может независимо управляться продольным магнитным полем, а степень циркулярной поляризации может независимо управляться поперечным магнитным полем. В итоге магниторезистивный спиновый светодиод имеет не два управляемых дискретных состояния, соответствующих логическому нулю и единице (высокая и низкая интенсивность или право- и лево-циркулярно поляризованное излучение), а четыре независимо варьируемых состояния (высокая интенсивность с право- и лево-циркулярно поляризованным излучением и низкая интенсивность с право- и лево-циркулярно поляризованным излучением), причём интенсивность излучения будет изменяться продольным магнитным полем, а знак поляризации - перпендикулярным магнитным полем (фиг. 6).
В отличие от ближайшего аналога, в котором возможно задание только двух устойчивых состояний - высокая и низкая интенсивность излучения, в магниторезистивном спиновом светодиоде возможно задание любого из четырёх устойчивых состояний - высокая интенсивность излучения с правой циркулярной поляризацией, высокая интенсивность излучения с левой циркулярной поляризацией, низкая интенсивность излучения с правой циркулярной поляризацией, низкая интенсивность излучения с левой циркулярной поляризацией. Также, в отличие от аналога, в котором изменение интенсивности электролюминесценции составляет ~1%, в магниторезистивном спиновом светодиоде изменение интенсивности электролюминесценции составляет ~25%.
Таким образом, использование магниторезистивного спинового светодиода позволяет в два раза увеличить информационную ёмкость.
Ниже представлены примеры конкретного осуществления изобретения.
Пример 1.
x
1-x
Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 650°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из n-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из n-GaAs толщиной 0,9 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы InGaAs (x=0,2) толщиной 10 нм, спейсерный слой 4 из i-GaAs толщиной 60 нм.
-6
2
3
Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из AlO толщиной 1 нм выращивают при температуре 150°C, слой 6 из CoPt толщиной 10 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pt толщиной 0,5 нм и слоёв Co толщиной 0,3 нм при температуре 200°C, слой 8 из Au толщиной 10 нм выращивают при температуре 100°C. Слои 5, 6 и 8 выращивают через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,5 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме, полученные контакты закрывают фоторезистом через фотошаблон, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt.
++
14
-2
Производят имплантацию ионами He(энергия 30 кэВ, доза 10см) для создания изолированной области 15.
-6
2
3
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр и температуре 150°C наносят слой 7 из AlO толщиной 2 нм.
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.
-6
90
10
90
10
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 3 нм выращивают при температуре 120°C; нижний ферромагнитный слой 10 из CoFeтолщиной 1,5 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 3,7 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из CoFeтолщиной 3 нм выращивают при температуре 100°C.
-6
2
5
Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10 Торр и температуре 250°C формируют защитный слой 13 из GaMn толщиной 3 нм.
Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.
Пример 2.
x
1-x
Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 600°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из n-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из n-GaAs толщиной 1 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы InGaAs (x=0,15) толщиной 15 нм, спейсерный слой 4 из i-GaAs толщиной 40 нм.
-6
2
3
Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из AlO толщиной 1,5 нм выращивают при температуре 200°C, слой 6 из CoPt толщиной 20 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pt толщиной 0,5 нм и слоёв Co толщиной 0,2 нм при температуре 250°C, слой 8 из Au толщиной 20 нм выращивают при температуре 100°C. Слои 5, 6 и 8 выращивают через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,46 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.
Полученные контакты закрывают фоторезистом через фотошаблон, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt.
++
14
-2
Производят имплантацию ионами He(энергия 40 кэВ, доза 10см) для создания изолированной области 15.
-6
2
3
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр и температуре 200°C наносят слой 7 из AlO толщиной 2,5 нм.
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.
-6
90
10
90
10
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 5 нм выращивают при температуре 150°C; нижний ферромагнитный слой 10 из CoFeтолщиной 1 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 4 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из CoFeтолщиной 2 нм выращивают при температуре 80°C.
-6
3
5
Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10 Торр и температуре 200°C формируют защитный слой 13 из GaMn толщиной 2 нм.
Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.
Пример 3.
x
1-x
Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 600°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из p-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из p-GaAs толщиной 0,8 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы InGaAs (x=0,22) толщиной 10 нм, спейсерный слой 4 из n-GaAs толщиной 90 нм.
-6
2
3
2
3
Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из AlO толщиной 1 нм выращивают при температуре 200°C, слой 6 из CoPd толщиной 20 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pd толщиной 0,4 нм и слоёв Co толщиной 0,2 нм при температуре 200°C, слой 8 из Au толщиной 10 нм выращивают при температуре 80°C. После формирования слоёв 5 из AlO, 6 из CoPd и 8 из Cu Au производят фотолитографию через фотошаблон. Затем слои 5, 6 и 8 в области вокруг участков, которые закрыты фоторезистом, стравливают, в результате формируют контакты диаметром 0,5 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.
++
13
-2
Производят имплантацию ионами He(энергия 40 кэВ, доза 8*10см) для создания изолированной области 15.
-6
2
3
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр и температуре 200°C наносят слой 7 из AlO толщиной 3 нм.
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.
-6
90
10
90
10
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 4 нм выращивают при температуре 150°C; нижний ферромагнитный слой 10 из CoFeтолщиной 2 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 5 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из CoFeтолщиной 4 нм выращивают при температуре 100°C.
-6
2
5
Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10 Торр и температуре 300°C формируют защитный слой 13 из GaMn толщиной 2 нм.
Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.