ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ
FERROMAGNETIC SEMICONDUCTOR MATERIAL

Изобретение относится к области материалов полупроводниковой спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов соответствующих спинтронных приборов.
К настоящему времени в мире разработаны теоретические основы спиновой электроники и конкретные конструкции разнообразных спиновых магнитоэлектронных приборов, таких как спиновые полевые транзисторы, спиновые резонансные и светодиоды, спиновые вентили и т.д., а также перспективных элементов памяти с высокой компактностью и быстродействием, и низким энергопотреблением. Данное направление в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных для создания нового поколения приборов для хранения, передачи и обработки информации. Создание указанных материалов и приборов на их основе позволит реализовать огромные возможности полупроводниковой спиновой электроники.
Основным препятствием на пути создания спинтронных приборов в настоящее время является отсутствие полупроводниковых материалов, обладающих высокой намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля для работы при комнатной и выше температурах. Задачей настоящего изобретения является создание такого материала на основе диоксида титана, легированного ванадием, что обеспечивает собственное ферромагнитное упорядочение в полупроводнике с высокой намагниченностью насыщения при комнатной температуре, в сочетании с дополнительной имплантацией ионов кобальта в материал, позволяющей сохранить намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля на уровне не менее 70% от намагниченности насыщения.
Известна полупроводниковая структура, ферромагнитная при комнатной и выше температурах, состоящая из ферромагнитной пленки Mn-Si, осаждаемой методом магнетронного распыления на подложке монокристаллического кремния (Патент CN 1885493 А, МПК: H01L 21/203; С23С 14/35; С23С 14/58; H01L 21/324).
Известен также способ получения такой структуры на основе ферромагнитного полупроводника Si-Mn путем имплантации ионов марганца в кремниевые пластины (M.Bolduc et al., Phys.Rev.B, v.71, p.033302, 2005; А.Ф.Орлов и др. ЖЭТФ, т.136, с.703, 2009).
Недостатком указанных структур является низкая намагниченность насыщения получаемого материала и дополнительное резкое ее уменьшение при снятии внешнего магнитного поля.
Известен способ получения ферромагнитной при комнатной температуре пленки на основе диоксида титана, легированной хромом (Патент CN 101211764 А от 02.07.2008, МПК H01L 21/203; H01L 21/02). Известен также способ получения ферромагнитной при комнатной температуре диэлектрической пленки на основе диоксида титана, легированной ванадием в количестве 5% ат. (N.H. Hong et al., Phys.Rev. В, v. 70, p.195204, 2004).
Недостатком указанных материалов является низкая намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения ферромагнитного при комнатной температуре полупроводникового материала путем имплантации ионов кобальта в пластины диоксида титана (Патент RU 2361320 С1, МПК: H01L 21/425).
Недостатками полученного таким способом материала является отсутствие в нем собственного ферромагнитного упорядочения. Намагниченность материала создается при этом введением в материал кластеров ферромагнитного кобальта.
Предлагаемое изобретение отличается от известных следующими элементами:
- в качестве основы предлагается использование эпитаксиальной пленки или пластины полупроводникового в широких пределах проводимости легированного диоксида титана в модификации анатаза, проявляющего собственное ферромагнитное упорядочение при комнатной и выше температурах с высокой величиной намагниченности насыщения; при этом легирование диоксида титана выполняется ванадием при концентрации от 3 до 5% ат. по отношению к титану,
17
-2
- дополнительно выполняется имплантация указанного ферромагнитного материала ионами кобальта при комнатной температуре с дозами (1.3-1.6)·10 см.
Отличительные признаки обеспечивают необходимые электрические и магнитные характеристики указанного материала.
Задачей настоящего изобретения является создание ферромагнитного полупроводникового материала, обладающего высокой намагниченностью при комнатной и выше температурах в отсутствие внешнего магнитного поля.
Технический результат заключается в получении материала на основе диоксида титана, легированного ванадием, что обеспечивает собственное ферромагнитное упорядочение в полупроводнике с высокой намагниченностью насыщения при комнатной температуре, в сочетании с дополнительной имплантацией ионов кобальта в материал, позволяющей сохранить намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля на уровне не менее 70% от намагниченности насыщения.
17
-2
-1
3
Поставленная задача решается тем, что ферромагнитный полупроводниковый материал представляет собой ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку на диэлектрической подложке или пластину легированного ванадием полупроводникового диоксида титана, дополнительно имплантированного ионами кобальта; согласно изобретению пленка или пластина диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 5% ат. по отношению к титану, дополнительно имплантирована ионами кобальта от 0,1 до 5% ат. при комнатной температуре с дозой (1.3-1.6)·10 см и имеет кристаллическую структуру анатаза и удельное электрическое сопротивление в широком диапазоне от 10 до 10 Ом·см.
2
2
2
17
-2
17
-2
17
-2
Изобретение поясняется чертежами, демонстрирующими достижение заявляемым ферромагнитным полупроводниковым материалом (Примеры 1-3) указанного свойства, а именно: на фиг.1 представлена петля магнитного гистерезиса пленки TiO:5% V, имплантированной ионами Со с дозой 1.5·10 см при комнатной температуре, коэрцитивное поле Hc=80 Э, остаточная намагниченность Mr=75% (результаты Примера 1); на фиг.2 - кривая магнитного гистерезиса пластины TiO:5% V, имплантированной ионами Co с дозой 1·10 см при комнатной температуре, Hc=350 Э, Mr=55% (Пример 2); на фиг.3 - кривая магнитного гистерезиса пластины ТiO: 5% V, имплантированной ионами Со с дозой 1.5·10 см при комнатной температуре, Нс=490 Э, Mr=89% (Пример 3).
Заявляемые составы легированного полупроводника на основе диоксида титана при его дополнительной имплантации ионами кобальта обеспечивают сохранение высокой остаточной намагниченности материала при температурах выше комнатной и изменение его удельного электрического сопротивления в широком диапазоне.
Обоснование заявленных параметров материала:
x
100-x
100-x
2-δ
- для получения пленок ферромагнитного полупроводника используется металлическая мишень состава VTi, где 3≤x≤5% ат. Такая же величина легирования ванадием используется при выращивании кристаллов VxTiО. Диапазон концентраций легирования обусловлен тем, что при содержании ванадия менее 3% ат. наблюдаются низкие значения намагниченности насыщения, а при содержании ванадия более 5% не гарантируется однофазный состав материала;
-2
- процесс высокочастотного магнетронного распыления мишени для получения пленок диоксида титана проводится в смеси кислорода с аргоном с соотношением компонентов в диапазоне 1/150 - 1/200 при давлении в камере 10 Торр. При больших концентрациях кислорода в смеси получаемые пленки являются диэлектриком, а при меньших имеют металлическую проводимость;
3
- в качестве подложки при выращивании пленок используют монокристаллический алюминат лантана LaAlO, что обеспечивает получение кристаллической модификации анатаза материала;
17
-2
17
-2
- при дозах имплантации ионов кобальта менее 1.3·10 см не обеспечивается высокая остаточная намагниченность материала, а при дозах выше 1.6·10 см наблюдается сильное распыление материала ферромагнитного полупроводника.
Параметры получаемых ферромагнитных полупроводников контролировались методом рентгеноструктурного анализа, локального рентгеноспектрального анализа (состав), методом фотоэлектронной спектроскопии (химическое состояние примеси ванадия), измерением удельного электросопротивления и измерением намагниченности методом индукционной магнитометрии.
Заявленные характеристики ферромагнитного полупроводникового материала иллюстрируются следующими примерами.
Пример №1.
0.95
0.05
17
-2
Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава TiV в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. После имплантации в пленку ионов кобальта с дозой 1.5·10 см величина остаточной намагниченности составляла 75% от намагниченности насыщения (фиг.1).
Пример №2.
0.95
0.05
0.95
0.05
2-δ
17
-2
Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава TiV в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. Доза имплантации ионов кобальта в пластину состава TiVO составляла 1·10 см. В этом случае величина остаточной намагниченности составляла 55% от намагниченности насыщения (фиг.2).
Пример №3.
0.95
0.05
17
-2
Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава TiV в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. Доза имплантации ионов кобальта в пластину того же состава составляла 1.5·10 см. Величина остаточной намагниченности составляла 89% от намагниченности насыщения (фиг.3).
Таким образом, заявляемое решение обеспечивает создание ферромагнитного полупроводникового материала с высокой остаточной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля при температурах выше комнатной и удельным электрическим сопротивлением в широком диапазоне. Такой материал может эффективно использоваться в качестве инжектора и приемника поляризованных носителей заряда в приборах и устройствах спиновой электроники.