КОНВЕРТОР СПИНОВОГО ТОКА В ЗАРЯДОВЫЙ ТОК НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ИЗ ПЕРОВСКИТОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
SPIN CURRENT TO CHARGE CURRENT CONVERTER BASED ON A HETEROSTRUCTURE OF TRANSITION METAL PEROVSKITES

Изобретение относится к приборам спинтроники и может быть использовано в информационных системах, а также в радиотехнических устройствах СВЧ диапазона.
Известен ряд устройств, предназначенных для генерации спинового тока и преобразования в зарядовый ток и выполненных на основе многослойных гетероструктур.
Так, описано устройство, основанное на спиновом эффекте Холла и переносе спинового момента в магнитном туннельном переходе (US 9691458 (В2), UNIV CORNELL, 22.09.2016). Оно включает магнитный слой, где генерируется спиновый момент, и электрически проводящую пленку, в которой происходит преобразование спинового тока в зарядовый за счет обратного спинового эффекта Холла. Устройство содержит магнитный туннельный переход, включающий в себя «свободный магнитный слой» с направлением намагниченности, которое может быть изменено посредством передачи прецессии магнитного момента, и электропроводящего магнитного слоя, проявляющая спиновой эффект Холла. Приложенный в плоскости устройства зарядовый ток, генерирует спин-поляризованный ток с магнитным моментом, лежащим в плоскости устройства. Направление намагничивания «свободного магнитного слоя» может переключаться спин-поляризованным током посредством передачи магнитного момента. Это устройство может быть реализовано в трех-терминальной конфигурации.
2
Недостатком устройства является сложность технологии. Судя по описанию, технология должна обеспечивать получение магнитных туннельных переходов с размерами 100×350 нм из, например, CoFeB/MgO/CoFeB с толщинами слоев 3,8/1,6/1,6 нм на проводящем слое Та с толщиной 6,2 нм.
Известно также устройство преобразования спинового тока в зарядовый на основе ферромагнетика переходного 5d металла (US 9400316 В2, Fujiwara Kohei et al., 26.07.2016). Устройство накопления спинов включает в себя немагнитное тело, в котором аккумулируются инжектированные спины, и элемент-инжектор, который содержит устройство преобразования электрического тока в спиновой ток, предусмотренное на указанном немагнитном теле. Источник электроэнергии подает электрический ток на упомянутое устройство преобразования электрического тока в спиновой ток, генерируемый спиновым эффектом Холла. Недостаток - неконтролируемость параметров контактов между нанопроволоками, из которых сконструирован предложенный преобразователь электрического тока в спиновой ток.
В устройстве по патенту US 10923651(В2), NAT UNIV SINGAPORE, 16.02.2021, предлагается заменить обычно используемый немагнитный материал, например, платину, на материалы, совместимые с полупроводниковой технологией типа CuPt, либо топологический изолятор, который может повысить эффективность преобразования за счет обратного спинового эффекта Холла либо эффекта Рашбы. Однако известна плохая совместимость ферромагнетика и топологического изолятора при эпитаксиальном росте.
3
3
3
Наиболее близким к патентуемому устройству является устройство, основанное на спиновом эффекте Холла и эффекте передачи спинового момента (US 10566521 (В2), WISCONSIN ALUMNI RES FOUND, 18.02.2020 - прототип). Предлагается использование гетероструктуры Py/SrIrO/SrTiO с эпитаксиально выращенным слоем SrIrO на подложке из титаната стронция с генерирующим спиновый ток слоем пермаллоя.
3
Однако титанат стронция SrТiO известен высокими потерями на сверхвысоких частотах и характеризуется высокой и температурно-зависимой величиной диэлектрической проницаемости. Кроме того, спиновый ток, инжектируемый из ферромагнитного материала, диффундирует к обеим сторонам тонкой проволоки, замыкающей цепи, даже в той части, где нет электрического тока. Данное обстоятельство является основным недостатком устройства. Приведенные данные свидетельствуют о низкой чувствительности выходного сигнала, преобразованного за счет обратного спинового эффекта Холла, что может, в частности определяться качеством границы, образованной между магнетиком и немагнитным материалом (слой пермаллоя выращен не эпитаксиально). Кроме того, конструкция данного устройства сложна для мультиплицирования на чипе.
3
3
Анализ показывает, что общим недостатком рассмотренных устройств является использование простых металлов, в которых проявляется сильное спин-орбитальное взаимодействие. Напыление металла происходит после изготовления эпитаксиальных слоев и разрывов вакуума, что приводит к неконтролируемости границы раздела, которая играет важную роль в формировании спинного тока и его конвертации в зарядовый. В частности, в устройстве-прототипе поверх эпитаксиально выращенной структуры SrIrO/SrTiO напылена пленка платины.
Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков прототипа - повышение чувствительности выходного сигнала при обеспечении технологичности процесса формирования структуры, что является техническим результатом изобретения.
Технический результат достигается за счет использования гетероструктры из оксидного ферромагнетика и оксидного материала с высоким спин-орбитальным взаимодействием для обеспечения требуемой эффективности конвертации спинового тока в зарядовый. Указанное позволяет обеспечить:
- воспроизводимость характеристик гетероструктур при заданных параметрах технологических операций в процессе их изготовления в лабораторных условиях;
- управление параметрами преобразования спинового тока в зарядовый за счет изменения температуры, от которой зависит величина намагниченности ферромагнетика и, соответственно, требуемая частота СВЧ накачки;
- интегрируемость гетероструктур на одном чипе за счет применения известных методик формирования их геометрии и электромагнитной связи.
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
0.7
0.3
3
3
Поставленная цель достигается тем, что в качестве подложки используется NdGaO с ориентацией (110) для обеспечения эпитаксиального роста пленки манганита LаSrМnО, (LSMO) и SrIrO (SIO). Направление вектора намагниченности пленки LаSrМnО лежит в плоскости подложки. Толщины пленок определяются требованиям возбуждения ферромагнитного резонанса (ФМР) в LaSrMnO и длиной диффузии спинного тока в SrIrO. Толщины пленок могут контролироваться длительностью процесса осаждения тонких пленок. Планарный размер структуры длина 1 и ширина w составляют величины от долей до десятков микрометров и определяют амплитуду преобразованного зарядового тока Iq. При приложении внешнего магнитного поля обеспечивается условие поглощения мощности СВЧ накачки за счет ферромагнитного резонанса. Тонкие пленки выращиваются либо с помощью лазерной абляции, либо методом магнетронного распыления при высокой температуре.
Существо изобретения поясняется на чертежах.
Фиг. 1 - структура гетероструктуры конвертора спинового тока в зарядовый.
0.7
0.3
3
3
Фиг. 2 - рентгеновский скан 2θ-ω пленки LaSrМnО, нанесенной на подложку (110) NdGaO.
3
3
Фиг. 3 - рентгеновский скан 2θ-ω пленки SrIrO, нанесенной на подложку (110) NdGaO.
3
0.7
0.3
3
3
Фиг. 4 - рентгеновский скан 2θ-ω гетероструктры SrIrO/LaSrМnО нанесенной на подложку (110) NdGaO.
3
0.7
0.3
3
3
Фиг. 5 - рентгеновский скан ϕ-сканирования при ψ=42,2° гетероструктуры SrIrO/LaSrМnО на плоскости (112) NdGaO. На вставке показан увеличенный участок скана в районе ϕ=39°.
Фиг. 6 - рентгеновский скан 2θ-ω скан для наклонной конфигурации ψ=42,2° и ϕ=128,9°.
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
Фиг. 7 - схематическое изображение кристаллических решеток SrIrO и LaSrМnО и гетероструктуры SrIrO/LaSrМnО.
3
0.7
0.3
3
Фиг. 8 - угловая зависимость магнитного поля ферромагнитного резонанса для гетероструктуры SrIrO/LaSrМnО для следующих температур: 40 К (поз. 6), 150 К (поз. 7) и 300 К (поз. 8).
3
0.7
0.3
3
Фиг. 9 - схема протекания токов: спинового тока (10) и зарядового тока (11) в гетероструктуре SrIrO/LaSrМnО и направления магнитных полей: постоянного (9) и СВЧ (12). Прецессия намагниченности (13) осуществляется под действием СВЧ поля.
3
Фиг. 10 - типичный сигнал напряжения, детектируемый на потенциальных выводах на пленке SrIrO. (14) - подгоночная кривая и экспериментальные точки, (15) - антисимметричная и (16) - симметричная части линии, вызванной анизотропным магнитным сопротивлением, (17) -вклад в напряжение за счет спиновой накачки.
0.7
0.3
3
3
На Фиг. 1 представлена структура конвертора спинового тока в зарядовый на основе манганита допированного стронцием LaSrMnO, который используется в режиме ферромагнитного резонанса как генерирующий спиновый ток элемент и материал с сильным спин-орбитальным взаимодействием; SrIrO - использующийся в качестве детектора преобразованного спинового тока в зарядовый за счет обратного спин-Холл эффекта.
3
0.7
0.3
3
3
Конвертор формируется на подложке (110) NdGaO (1). Для генерации спинового тока в режиме ферромагнитного резонанса используется пленка LaSrМnО (2). Пленка SrIrO (3) характеризуется высокой энергией спин-орбитального взаимодействия и используется в качестве детектора спинового тока, преобразованного в зарядовый ток. Выходное напряжение на структуре снимается с серебряных контактов (4) и регистрируется вольтметром (5).
3
3
0.7
0.3
3
3
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
3
Конвертор спинового тока в зарядовый формируется из тонких пленок на подложке (110) NdGaO в виде гетероструктуры из перовскитов SrIrO/LaSrМnО. Направление вектора намагниченности пленки манганита, как правило, лежит в плоскости подложки. Стронциевый иридат, имеющий формулу SrIrO, являясь парамагнитным полуметаллом, обладает сильным спин-орбитальным взаимодействием, что открывает возможности для осуществления спин-зарядовых трансформаций электронного транспорта, применимых для практического использования. При этом кристаллографические параметры SrIrO близки к параметрам манганита LaSrМnО, что позволяет выращивать эпитаксиальные гетероструктуры SrIrO/LaSrМnО высокого качества. Тонкие пленки оксидов иридата SrIrO и манганита LaSrМnО осаждались на монокристаллические полированные подложки NdGaO с размерами 5×5 мм2 и толщиной 0,5 мм. Эпитаксиальный рост пленок манганитов происходил при температуре подложки 800°С в смеси газов Аr и O2 (3:2) с давлением 0,3 мбара при мощности ВЧ генератора и магнетронной пушки 50 Вт.
3
3
3
3
3
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
3
3
0.7
0.3
3
3
3
0.7
0.3
3
3
Кристаллическая структура гетероструктур анализировалась с помощью рентгеновского дифрактометра. На Фиг. 2 показано рентгеновское 2θ-ω сканирование тонкой пленки SrIrO/NdGaO. Наблюдаемые пики соответствуют кратным отражениям от плоскости подложки (110) NdGaO и плоскости пленки (001) SrIrO (псевдокубическое обозначение). Из этого можно сделать вывод, что пленка растет с ориентацией плоскостей (001)SrIrО||(110)NdGaO Аналогичную картину можно увидеть для пленки LaSrМnО/NdGaO (Фиг. 3). Ориентация пленки (001) LaSrМnО||(110)NdGaO. 2θ-ω скан для гетероструктуры SrIrO/LaSrМnО/NdСаО является суперпозицией сканов однослойных пленок (Фиг. 4). Следовательно, для гетероструктуры плоскости растут таким образом, что (001)SrIrO||(001) LаSrМnО||(110)NdGаО.
3
0.7
0.3
3
3
3
3
0.7
0.3
3
На Фиг. 4. показано рентгеновское ϕ-сканирование при угле наклона ψ=42,2° и 2θ=38,5° для гетероструктуры SrIrO/LaSrМnО для плоскости (112) NdGaO. Кроме четырех сильных пиков от подложки, разнесенных почти на 90 градусов (слабая орторомбичность NdGaO), наблюдаются отражения от плоскостей (110) SrIrО и (110) LaSrМnО, пики совпадают и смещаются относительно подложки примерно на 0,3° (см. вставку на Фиг. 4).
На фиг. 5 показано ϕ-сканирование дифракции рентгеновских лучей (XRD) при угле наклона ψ=42,2° и 2θ=38,5° для гетероструктуры SIO / LSMO для плоскости (112) NGO.
3
0.7
0.3
3
3
3
0.7
0.3
3
3
3
Соответствующее 2θ-ω сканирование при ψ=42,2° и ϕ=128,9°, подтверждающее совпадение пиков, представлено на Фиг. 6. Из этих данных, можно сделать вывод, что рост гетероструктуры происходит по механизму «куб на куб» с малым поворотом решетки. Эпитаксиальные соотношения: (001) SrIrO || (001) LaSrMnO||(110) NdGaO и [100] SrIrO || [100] LaSrMnO|| [001] NdGaO. Узкая кривая качания (FHMW=0,1-0,12°) для (002) SrIrO свидетельствует о высоком качестве пленок.
3
3
0.7
0.3
3
Схематическое изображение кристаллической решетки SrIrO и схема эпитаксиального роста гетероструктуры SrIrO/LaSrMnOпоказаны на Фиг. 7.
0
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
На Фиг. 8 показана угловая зависимость резонансного значения магнитного поля Н для гетероструктуры NdGaO/LaSrMnO при комнатной температуре и внешнем магнитном поле, повернутом вокруг нормали к плоскости пленки на угол. Угол измерялся от одной из граней подложки. Внешнее магнитное поле и магнитная составляющая СВЧ поля находились в плоскости пленки. Изменение резонансного поля при изменении угла связано с плоскостной магнитной анизотропией гетероструктуры SrIrO/LaSrMnO. Угловая зависимость описывалась резонансным соотношением (1) с учетом магнитной одноосной и кубической анизотропии.
0
u
с
u
с
u
с
0
u
с
Здесь М - равновесная намагниченность, K и K - константы одноосной и двухосной кубической анизотропии, соответственно. ϕ и ϕ -углы между легкими осями одноосной и кубической анизотропии и внешним магнитным полем, соответственно. K, K, М, а также углы ϕ и ϕ были получены путем аппроксимации угловой зависимости формулой (1).
3
0.7
0.3
3
3
0.7
0.3
3
M
3
На Фиг. 9. показана схема протекания токов: спинового тока (10) и зарядового тока (11) в гетероструктуре SrIrO/LaSrMnO и направления магнитных полей: постоянного (9) и СВЧ (12). Прецессия намагниченности (13) осуществляется под действием СВЧ поля. Результаты возникновения спинового тока в гетероструктуре SrIrO/LaSrMnO при температуре 295 К показаны на Фиг. 10. СВЧ накачка производилась генератором Ганна на частоте 9 ГГц при мощности генератора 75 мВт. Амплитуда СВЧ накачки дополнительно модулировалась с частотой f=100 кГц. Напряжение, возникающее в слое SrIrO за счет обратного спинового эффекта Холла и анизотропного магнетосопротивления в слое манганита, регистрировалось с помощью синхронного детектирования. Результирующее напряжение на выходе конвертора представляет собой комбинацию симметричной лоренцевой функции от спинового тока и двух компонент - антисимметричной и симметричной лоренцевой функции - от анизотропного магнетосопротивления.
0
~
где ΔН - полуширина линии на половине высоты, Н - резонансное поле. Форма резонансной кривой содержит три вклада. Для разделения симметричного и антисимметричного вклада экспериментальные графики были аппроксимированы симметричной L(H) и антисимметричной функцией Лоренца L'(H) (выражение (2)) [A. Azevedo, L. Н. Vilela-Leao, R. L. Rodr'iguez-Su'arez, A. F. Lacerda Santos, and S. M. Rezende Spin pumping and anisotropic magnetoresistance voltages in magnetic bilayers: Theory and experiment Physical Review В 83, 144402 (2011)]
1
sp
где ϕ - разность фаз между СВЧ током и намагниченностью. Для отделения сигнала, возникающего за счет спинового тока V, от возникающего за счет анизотропного магнетосопротивления, проводились измерения зависимости симметричной части V(H) от угла между постоянным током и магнитным полем: (выражение (3))
sp
AMR
1
В результате получались значения амплитуд V и V⋅cos(ϕ). Изменение угла производилось за счет вращения магнита вокруг резонатора, внутри которого располагался изучаемый образец.
Пример реализации.
3
Конвертор спинового тока в зарядовый может быть сформирован на основе эпитаксиально выращенных пленок оксидных материалов. Для этого предлагается использовать известные методы лазерной абляции, магнетронного распыления и катодного распыления при высоком давлении кислорода. Для получения базовых пленок применимы подложки NdGaO (NGO) с ориентациями (110).
0.7
0.3
3
Из-за рассогласования параметров кристаллической решетки может наблюдаться либо сжатие, либо растяжение выращенной пленки. Такой подход позволяет управлять свойствами эпитаксиально сформированных многослойных структур и получение базовых пленок с различными величинами плоскостной магнитной анизотропии. Для получения магнитных пленок можно использовать тонкие пленки оптимально допированного манганита LаSrМnО (LSMO), которые при комнатной температуре обладают свойствами ферромагнетиков. Топология гетероструктуры конвертора спинового тока в зарядовый может быть сформирована известными методами фотолитографии, плазмо-химического и ионного-лучевого травлений.
Тонкие пленки в многослойных структурах с контролируемой толщиной от единиц до десятков нанометров могут быть эпитаксиально выращены без разрыва вакуума при высокой температуре нагрева подложки. Для нагрева и поддержания подложки при высокой температуре может быть использован нагреватель на основе элемента "ThermoCoax", состоящий из центральной жилы NiCr, коаксиальной оболочки из нержавеющей стали и изолирующей прослойки из порошкообразного MgO. Под крышку нагревателя с помощью серебряной пасты, обеспечивающей хороший термический контакт, вклеивается изолированная термопара Cu/NiCr. Для достижения хорошего термического контакта подложка также приклеивается к крышке нагревателя серебряной пастой.
3
Перед осаждением, после процедуры нанесения тонких пленок поверхность обрабатывается методами радиочастотного травления или ионно-лучевого травления в атмосфере Аr в зависимости от типа использовавшихся напылительных установок. Осаждение пленок проводится методами радиочастотного магнетронного распыления мишеней. Толщина пленки SrIrO составляла - 10 нм.
4
2
2
Для формирования топологии гетероструктуры применяется фоторезист Shipley-1813 толщиной порядка 1 мкм, который после процессов засветки и проявления оставался в области перехода, образуя маску, через которую затем производилось травление поверхности многослойки. Для травления применяется плазмо-химическое травление в смеси CF и О. Удаление пленок манганитной прослойки за пределами функциональной части гетероструктуры производится ионно-лучевым травлением с низкой энергией ионов Аr+250 эВ и плотностью ионного тока 0,2 мА/см, что уменьшает влияние ионной бомбардировки на поверхностный слой манганитной пленки.
Таким образом, приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о достижении технического результата - повышении чувствительности выходного сигнала при обеспечении технологичности процесса формирования структуры конвертора на основе гетероструктуры перовскитов переходных металлов. За счет использования гетероструктры из оксидного ферромагнетика и оксидного проводящего материала с высоким спин-орбитальным взаимодействием обеспечивается высокая эффективность конвертации спинового тока в зарядовый. Обеспечивается воспроизводимость характеристик при заданных параметрах технологических операций, изготовление прибора основывается на известных и доступных методах осаждения тонких пленок с контролируемой толщиной каждого слоя. Формирование прибора в планарной топологии позволяет его интеграцию в планарную широкополосную тонкопленочную структуру на одном чипе. Кроме того, имеется возможность управления параметрами преобразования спинового тока в зарядовый за счет изменения температуры, и, соответственно, выбор частоты СВЧ накачки.