Высокие технологии XXI века: от электроники переноса заряда к электронике переноса спина

 
 

Развитие электронного приборостроения конца ХХ в. ознаменовалось крупными достижениями технологии в области создания микросхем на базе многослойных гетероструктур металл–полупроводник. Под гетероструктурой обычно понимается группа контактов объемных полупроводниковых кристаллов (2-х и более), имеющих на своих границах электрические металлические контакты. Подобные контактные структуры, полученные методами тонкопленочного напыления на изоляционную или металлическую подложку, получили название мультислойных гетероструктур (мультислоев). Использование напылительной техники позволяет добиться существенной миниатюризации электронных устройств. Интегральные микросхемы обеспечивают значительную экономию в плане стоимости, энергопотребления и надежности эксплуатации электронной аппаратуры, уменьшение габаритов и совершенствование работы ее основы, в первую очередь, быстродействие и временную надежность полевых и биполярных транзисторов. Созданию элементной базы современных микроэлектронных структур способствовало появление метода молекулярно-лучевой эпитаксии, позволившего создавать строго периодические структуры с заданными параметрами слоев. Сегодня широко применяются лавинные фотодиоды для волоконно-оптических систем связи, приемники инфракрасного излучения со сверхвысокой чувствительностью, твердотельные лазеры оптического диапазона с низкими порогами возбуждения и многое другое. Использование в процессорах вычислительных машин модулированно-легированных систем на основе слоев InGa(Al)As привело к появлению суперскоростных компьютеров.
 

Достижения твердотельной электроники базируются в основном на представлениях одночастичной зонной теории полупроводников для зарядового токопереноса и на аппарате нерелятивистской квантовой механики. Они вполне адекватны для описания большинства параметров твердого тела и рабочих элементов узлов современных электронных приборов. Ожидаемый скачок в развитии элементной базы микроэлектроники связан с освоением нанотехнологий, когда размеры активных областей электронных структур будут сравнимы с атомными размерами и длиной свободного пробега электрона. Здесь определяющую роль начинают играть сугубо квантовые явления. Поэтому уже сегодня можно говорить о появлении квантовой электроники, основанной на одноэлектронных эффектах в твердых телах. Так, в вычислительной технике «одноэлектроника» призвана реализовать идею «один электрон — один бит информации», являющуюся последней ступенью развития электроники для цифровых схем, поскольку невозможно хранить менее одного электрона в элементе памяти. Дальнейшее развитие этой идеи — спиновая электроника, в которой элементарным носителем информации является спин электрона, а кодирование информации сводится к длительному временному закреплению пространственной ориентации спина носителя тока во внешнем магнитном поле. Как известно, электрон по отношению к внешнему магнитному полю обладает двумя возможными пространственными ориентациями своего собственного магнитного момента — спина: по полю и против поля. Поэтому реализация принципа квантовой магнитной записи «один спин — один бит информации» обусловливает появление спиновой информатики, открывает возможность предельной миниатюризации электронных схем и одновременное повышение информационной плотности операционных логических систем. Сегодня плотность записи информации на жестких и мягких магнитных носителях ограничена размерами единичных магнитных доменов, не идущих ни в какие сравнения с размерами квантовых точек, какими, по-существу, являются спины электрона.
 

Появление и развитие спиновой электроники (или спинтроники, по западной терминологии) базируется на осуществлении спинового токопереноса (спин-поляризованного тока) между элементами электронных устройств. Для этого требуется наличие в аппаратуре достаточно громоздких устройств для создания внешних магнитных полей, способствующих ориентации по спину носителей заряда или их фильтрации при токопереносе, либо наличие в самой гетероструктуре твердотельного источника спин-поляризованных электронов (спинового инжектора). Первое не приемлемо по определению. Второе требует введение в гетероструктуру ферромагнетика, который и является спиновым источником при создании электрической цепи между элементами микросхемы. Такой источник — ферромагнитный металл (ФМ) или ферромагнитный полупроводник (ФП) — в состоянии намагниченности обладает преимущественной спонтанной спиновой ориентацией электронных носителей заряда в своей структуре. Причем степень спиновой поляризации носителей тока в них способна достигать величин от 10% (металл) до 100% (полупроводник). В используемых в современной микроэлектронике гетероструктурах с участием немагнитных полупроводников (П) и металлов направление спина носителей тока не существенно и не сказывается на работе таких устройств. Осуществление спинового токопереноса между элементами микросхемы открывает новые возможности твердотельной электроники, что связано, в первую очередь, с инжекцией спин-поляризованных носителей тока в полупроводник, радикально изменяющей его физические характеристики. Речь идет о создании нового поколения узкополосных устройств твердотельной спиновой электроники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов – генераторов, усилителей, приемников, фильтров и др., модулируемых и перестраиваемых по частоте магнитным полем и управляемых током.
 


Наличие дополнительной «степени свободы» — спина — у носителей тока и возможность управлять свойствами спинтронных структур с помощью внешнего магнитного поля способствует расширению функциональных возможностей существующих и разрабатываемых устройств микроэлектроники. В частности, становится возможным практическое освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов спектроскопии твердого тела, а также создание твердотельного лазера в данном диапазоне длин волн.
 

Перспективы создания спинового транзистора и коммерческого использования спинтронных структур в микросхемах, работающих при обычных комнатных температурах, пока проблематичны. Это обусловлено, прежде всего, довольно низкими температурами Кюри (Тк) известных ФП. Поэтому исследованные до сих пор физические параметры имеющихся спинтронных структур относятся к области криоэлектроники или к области температур жидкого азота и их конкурентоспособность в сравнении с ныне используемыми в микроэлектронике «классическими» гетероструктурами — вопрос не сегодняшнего дня. Принято считать, что спинтроника — это электроника XXI века. Тем не менее, использование ФП в качестве элемента туннельной структуры в контакте с нормальным металлом или полупроводником уже сегодня позволяет реализовать идею создания в криоэлектронике магнитоуправляемого диода Зинера (или стабилитрона), обратное пробойное напряжение которого способно регулироваться внешним магнитным полем. Кроме того, в Интернете имеется сообщение о том, что группе физиков из университета г. Буффало (США) удалось методом молекулярной эпитаксии синтезировать пленочные ферромагнетики в системах твердых растворов Ga-Mn-Sb и Cd1-xMnxGeP2 (так называемых разбавленных магнитных полупроводников) с температурами Кюри, соответственно, ≈400 К и ≈320 К. Имеются и другие сообщения о пленочном конструировании спинтронных материалов — магнитных пленок с высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах. Предполагается использование подобных ферромагнитных материалов при разработке квантовых компьютеров – это еще одна перспективная область применения спинтроники.
 

Метод конструирования спинтронных материалов имеет широкие перспективы. Ради справедливости надо отметить, что ранее и отечественными исследователями, в частности из Института химии твердого тела УрО РАН, предпринимались попытки синтеза объемных композиционных поли- и монокристаллических материалов, включающих в свой состав матрицу из «классических» ФП с низкими Тк и растворенными в ней микро- или наночастицами ФМ с высокими Тк, например, железа. Подобные композиты также способны сохранять полупроводниковую проводимость и оставаться ферромагнитными материалами при температурах, значительно превышающих комнатную, что очень важно при разработке перспективных спинтронных материалов для полупроводниковой электроники.
 

В чем же принципиальное отличие контактов «ферромагнитный полупроводник– немагнитный полупроводник» от широко используемых в настоящее время в полупроводниковой электронике контактов «металл–полупроводник»? Иными словами, в чем принципиальное отличие спиновой электроники от традиционной электроники, основанной только на зарядовом токопереносе?
 

Осуществление контакта «ферромагнетик–полупроводник» (Ф–П) равноценно помещению последнего во внешнее магнитное поле, которое вызывает расщепление электронных уровней энергий в нем на два вышеупомянутых спиновых состояния – так называемое зеемановское расщепление. При спиновом токопереносе из Ф в П заполнение этих уровней будет происходить в соответствии с первоначальной ориентацией спинов носителей инжектора. Рассмотрим эти процессы согласно принятым зонным схемам.
 

Нормальным (немагнитным) металлам свойственно равноценное спиновое распределение электронов на уровне Ферми (ЕF) в зоне проводимости. Поэтому при их транспорте в электрическом поле отсутствует какое-либо преобладание спиновой ориентации носителей заряда. Влияние внешнего магнитного поля Н сказывается только на величине электросопротивления R таких металлов. Обычно для них имеет место положительное магнитосопротивление (R(Н≠0) > R(Н=0)), т.е. электросопротивление нормального металла в магнитном поле возрастает.
 

Для ФМ на уровне Ферми в состоянии намагниченности наблюдается спиновое (обменное) расщепление электронной зоны: на подзону со спинами, направленными по намагниченности кристалла (нижняя подзона, минимум электронной энергии), и на подзону со спинами, направленными против намагниченности (верхняя подзона, максимум электронной энергии). Величина расщепления Δ составляет ферромагнитную щель в спектре электронов такого металла. Поэтому при электроном транспорте в электрических полях Е < Δ /e в ФМ преобладает небольшое, порядка 10%, преимущественное выделение спинового токопереноса. Внешнее магнитное поле только способствует такому спиновому токопереносу (имеет место эффект отрицательного магнитосопротивления, R(Н≠0) < R(Н=0), т.е. электросопротивление ферромагнетика в магнитном поле убывает).
 

В ФП ситуация во многом иная. В состоянии намагниченности ферромагнитных полупроводников обменное расщепление Δ таково, что при Т = 0К приводит к 100% степени спиновой поляризации электронов на уровне Ферми. Верхняя спиновая подзона оказывается пустой и электронный транспорт в таких материалах полностью поляризован по спину.
 

В этом отношении ФП предпочтительнее в качестве спиновых инжекторов спинтронных структур перед всеми другими известными металлическими ферромагнетиками, тем более что для некоторых из них достижимы высокие (выше комнатных) Тк.
 

Рассмотрим идеальный случай спинового перехода носителей тока из ФП в П. Здесь электронно-спиновый переход и заполнение зеемановских уровней энергий в запрещенной зоне (Еg) П может происходить как с заселением верхнего зеемановского уровня (сценарий 1), так и путем перехода на нижний зеемановский уровень (сценарий 2). Величина зеемановского расщепления электронных уровней в П определяется как внешним магнитным полем (намагниченностью ФП в контакте), так и значением g-фактора (гиромагнитное отношение электронов, осуществляющих токоперенос в нем). Для свободных носителей заряда в зоне проводимости величина g-фактора не превышает 2. Поэтому зеемановское расщепление соответствующих им электронных уровней мало, что делает их неразличимыми относительно переворота спина (так называемого спин-флипа). В то же время известна группа широкозонных по величине Еg немагнитных полупроводников, в которых g-фактор і 50. Это указывает на заметную разность энергий между верхним и нижним зеемановскими уровнями, и на возможность спинового закрепления носителей на этих уровнях при отсутствии спин-флипа в процессе токопереноса.
 

Таким образом, в случае спинового транспорта по сценарию 2 из-за положительной разности энергий между величинами EF в ФП и положением нижнего зеемановского уровня в П ее избыток при электроном переходе будет проявляться в виде выхода поляризованной электролюминесценции из П. Необходимо отметить, что ее наблюдение в контакте ФП–П возможно только для широкозонных немагнитных полупроводников. Осуществление переходов носителей тока на нижний зеемановский уровень такого полупроводника и его заселение равноценно попаданию электрона в «квантовую яму». Внешнее магнитное поле, поддерживая спиновое состояние такого носителя тока, будет приводить к гистерезисному поведению поляризованной электролюминесценции при инверсии знака электрического поля. В этом случае подобная структура служит спиновым фильтром для электронов.
 

Другое применение спинтронной ФП–П гетероструктуры в условиях инжекции спиновых носителей из ФП на нижний зеемановский уровень П связывается с поглощением ими энергии от внешних источников и переходами носителей тока с нижнего на верхний зеемановский уровень полупроводника. Подобное зафиксировано для контактов с полупроводниковыми кристаллами n-InSb, для которых в условиях достижения частот электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) наблюдалось значительное возрастание фотопроводимости. Следовательно, названная структура способна работать как узкополосный, перестраиваемый по частоте внешним магнитным полем фотоприемник.
 

Несколько иное следствие процесса спинового токопереноса наблюдается в случае осуществления сценария 1. Дело в том, что перенос спина из ФП на верхний зеемановский уровень П может оказаться вообще энергетически беззатратным. Тогда при токопереносе спинов на верхний зеемановский уровень П и его заселении на определенном этапе возможен самопроизвольный переход носителей тока на нижний зеемановский уровень, и появление когерентного излучения hn на частоте ЭПР, перестраиваемой внешним магнитным полем. Это, по-существу, лазерное излучение может оказаться как самопроизвольным (в отсутствие внешнего поля), так и стимулированным. Инверсия заселенностей верхнего и нижнего зеемановских уровней при этом может не сопровождаться процессами спин-флипа. Из этого следует, что при соответствующем подборе материалов контакта ФП-П возможно создание спиновых твердотельных лазеров СВЧ-диапазона, а также спин-поляризованных ячеек квантовой памяти.
 

Конечно, проблема спинового транспорта в твердотельных структурах более многогранна. Здесь лишь частично представлены физические механизмы его осуществления. Практическая же реализация спиновой инжекции в реально существующих структурах сталкивается как с технологическими трудностями, так и с ограниченным пока набором материалов, позволяющим реально осуществлять токоперенос спинов только при низких температурах. Отвечая на поставленный выше вопрос, ответ на него кратко можно сформулировать следующим образом: спинтроника — это электроника зеемановских уровней энергий в спектре полупроводникового кристалла. Главная задача новой технологии спинтронных материалов и структур – это поиск способов правильного и предсказуемого создания и управления этими электронными уровнями. Последнее не исключает того, что с ее решением не возникнут новые технологические и чисто физические проблемы. Следовательно, физикам и технологам, занимающимся проблемой спиновой электроники, скучать не придется.
 

 

 


А.С. БОРУХОВИЧ,
профессор, доктор физ.-мат. наук,
ведущий научный сотрудник ИХТТ УрО РАН,
зав. кафедрой общей физики Российского государственного
 профессионально-педагогического университета
 

 

 

10.02.06

 Рейтинг ресурсов