Разработка полупроводниковых наноструктур для спинового транзистора и магнитной памяти

Аннотация
Представленный отчет содержит сведения о выполнении 1-го этапа работ по проекту “Разработка полупроводниковых наноструктур для спинового транзистора и магнитной памяти”. Объект исследований: полупроводниковые наноструктуры для спинового транзистора и магнитной памяти, включающие многослойные периодические и двухфазные (гибридные типа ферромагнетик- полупроводник с магнитными наногранулами) магнитные наноструктуры на основе полупроводников A3B5 и А4 (Si, Ge) и 3d переходных металлов (в первую очередь Mn), а также полупроводниковые ферромагнитные наноструктуры с двумерными каналами проводимости типа полевого транзистора. Цели первого этапа работы заключались в разработке принципов технологии изготовления и методик исследования полупроводниковых магнитных наноструктур для спинового транзистора и магнеторезистивной памяти.
В соответствии с календарным планом: 1) определены основные направления работы по изготовлению наноструктур для спинтроники; 2) разработаны основы технологии лабораторного изготовления ферромагнитных наноструктур на основе полупроводников А3В5 и А4 и 3d переходных металлов, а также двумерные полупроводниковые ферромагнитные наноструктуры с квантовой ямой и δ-легированными слоями как базовых элементов для создания спинового транзистора, а также энергонезависимой магнеторезистивной памяти; 3) разработаны методики исследования структурных, магнитотранспортных и магнитных свойств полученных наноструктур.
В результате выполнения 1 этапа работы:
• Проведены анализ современной научной литературы и патентные исследования по ГОСТ 15.011-96, которые подтвердили перспективность и новизну выбранных основных направлений работы;
• Изготовлены лабораторные образцы ферромагнитных наноструктур на основе полупроводников (GaSb, InAs, Si, Ge и SiGe) и переходных металлов (Mn или Fe), а также двумерных структур на основе GaAs, содержащих квантовую яму InGaAs и -легированные слои Mn и Be. На полученных структурах проведены исследования транспортных свойств, ферромагнитного резонанса, фотолюминесценции, получены оценочные значения температур фазового перехода в ферромагнитное состояние. Показано, что многослойные периодические (дискретные сплавы) структуры GaSb/Mn обладают более высокими транспортными характеристиками по сравнению с однородно легированными слоями GaSb:Mn. В структурах InMnAs обнаружено ферромагнитное состояние с температурой фазового перехода  77 К. С помощью тестовых исследований двумерных структур показано, что с увеличением содержания примеси в δ- слое эффективная подвижность дырок и интенсивность фотолюминесценции уменьшаются. Это, вероятно, связано с диффузией атомов Ве в излучающий слой при температуре выращивания КЯ, что приводит к образованию дополнительных центров рассеяния и безызлучательной рекомбинации.
• Для диагностики полученных наноструктур разработаны методики их исследования:
1) структурных особенностей с использованием высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии;
2) магнитотранспортных характеристик по данным измерений эффекта Холла и магнетосопротивления;
3) магнитных свойств с использованием СКВИД-магнетометрии. Методы апробированы на примере исследования дискретных сплавов GaSb/Mn и GaAs/InGaAs/GaAs квантовых ям, содержащих -легированные слои Mn в GaAs.
В дискретных сплавах GaSb/Mn были обнаружены и проанализированы нетривиальные особенности формирования кривых рентгеновской рефлектометрии при наличии несовершенств сверхрешеток. Анализ формы экспериментальной кривой в рамках специфических фазовых соотношений в амплитуде отражения позволил не только восстановить реальную структуру исследованных сплавов, но и разработать общую схему анализа кривых рентгеновской рефлектометрии от несовершенных сверхрешеток. При исследовании транспортных свойств GaAs/InGaAs/GaAs квантовых ям обнаружено, что аномальный эффект Холла (АЭХ) проявляется в них при активационномм характере проводимости в ограниченном интервале температур (выше и ниже температуры Кюри), тогда как в квантовых ямах с “квазиметаллической“ проводимостью АЭХ отсутствует. В результате показана недостаточная эффективность использования АЭХ для исследования магнитного упорядочения в 2D полупроводниковых системах с высокой подвижностью носителей тока. Ферромагнетизм квантовых ям подтвержден исследованиями их намагниченности с использованием СКВИД- магнетометрии.

Подробно исследованы электрофизические, магнитные и структурные свойства полученных наноструктур.
Определены направления оптимизации параметров полученных наноструктур.
Проведен выбор преимущественного направления создания магнитных полупроводниковых наноструктур на основе Si между многослойными (дискретные сплавы) и двухфазными (включающими магнитные наногранулы).
Оптимизированы технологии создания двумерных полупроводниковых ферромагнитных наноструктур типа полевого транзистора с целью обеспечения необходимых по техническому заданию параметров.
Выполнена доводка технологии создания магнитных полупроводниковых наноструктур многослойных (дискретные сплавы) и двухфазных (включающих магнитные наногранулы)на основе Si и А3В5, легированных Мn, с целью обеспечения требуемых техническим заданием параметров.
Откорректированы ранее созданные технологические инструкции.

Выполнены комплексные исследования электрофизических, магнитных и структурных свойств наноструктур: двумерных полупроводниковых ферромагнитных наноструктур типа полевого транзистора на основе GaAs/InGaAs/GaAs квантовых ям с удаленными ?-легированными слоями Mn в GaAs и магнитных наноструктур SiMn, SiMnGe и GaSb/Mn на подложках GaAs и Al2O3, а также трехслойных спин-вентильных структур типа MnAs/InAs/MnAs и MnAs/InAs/GaMnAs.
  Сделаны доклады на научных конференциях, отправлены в печать статьи, защищен патент на изобретение «Элемент памяти на планарном эффекте Холла» .
  Подготовлена для защиты кандидатская диссертация «Эффект Холла и магнетосопротивление сильно неупорядоченных магнитных систем на основе кремния и 3d переходных металлов».

Разработаны принципы работы элементов спинтроники (спиновых транзисторов и магнитной памяти) .
  Показана перспективность для их создания изготовленных двумерных ферромагнитных наноструктур типа полевого транзистора на основе GaAs/InGaAs/GaAs квантовых ям с удаленными ?-легированными слоями Mn в GaAs и полупроводниковых наноструктур на основе Si и A3B5, легированных Mn.