Разработка полупроводниковых наноструктур для спинового транзистора и магнитной памяти
Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3176
Организация
НИЦ "Курчатовский институт"
Руководитель работ
Аронзон Борис Аронович
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
10 млн
Внебюджетные средства
2,7 млн
Разработка методов получения полупроводниковых и металлических магнитных наноструктур для спинтроники, работающих при комнатных температурах, совмещающих функции элементов магнитной памяти, электронного управления и передачи информации и обеспечивающих их интеграцию в существующие электронные технологии
Этапы проекта
1
20.04.2007 - 30.09.2007
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.
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.
2
01.10.2007 - 31.12.2007
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.
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.
3
01.01.2008 - 31.07.2008
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».
  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».
4
01.08.2008 - 31.10.2008
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.
  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.
Программа
Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"
Программное мероприятие
1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
профинансировано
профинансировано
профинансировано
Продолжительность работ
2015 - 2016, 13 мес.
Бюджетные средства
16 млн
Организация
ФТИ им. А.Ф.Иоффе
профинансировано
Продолжительность работ
2010 - 2012, 31 мес.
Бюджетные средства
7,5 млн
профинансировано