Способ получения ферромагнитного кремния для изделий спинтроники

Способ получения ферромагнитного кремния для изделий спинтроники

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области получения структур, например, элементов памяти, необходимых для использования в микроэлектронике, системотехнике.

Объем передаваемой и хранимой информации лавинообразно нарастает год от года, что требует ускоренного развития новых технологических путей как в микроэлектронике, так и системотехнике. Ключевую роль в создании оперативных средств передачи больших объемов информации играют элементы памяти с высокой плотностью записи информации и скоростью ее передачи. Однако имеющиеся элементы памяти уже не удовлетворяют назревшим потребностям. Идеальным вариантом решения данной проблемы было бы создание нового типа энергонезависимой памяти с произвольным доступом, которая сочетала бы преимущества DRAM (динамическая энергозависимая память с произвольным доступом) памяти с высоким быстродействием и Flash памяти (энергонезависимая память с высокой плотностью записи информации). Пути к решению этой проблемы наметились недавно и связаны с использованием эффектов быстрого (~1 нс) переноса и преобразования спина в наноструктурах на основе ферромагнитных материалов, так называемых эффектов гигантского магнетосопротивления и спинового переноса магнитного момента - spin torque transfer (STT).

В настоящее время обсуждается наиболее простой путь построения памяти, основанный на использовании материалов, не вполне интегрируемых с кремниевой технологией. Однако маловероятно, что в обозримом будущем память такого типа составит конкуренцию по плотности записи существующей Flash памяти, в которой один Si МОП-транзистор используется одновременно как для хранения информации, так и для обеспечения произвольного к ней доступа. Кардинальное решение в построении сверхплотной и быстрой памяти с произвольным доступом заключается в создании спинового МОП транзистора с ферромагнитными контактами - перемагничиваемым истоком и пинингованным (трудно перемагничиваемым) магнитным моментом стока к проводящему каналу, позволяющему осуществлять хранение и считывание информации.

Именно на получение ферромагнитных материалов на основе Si, обладающих спиновой поляризацией носителей, легко интегрируемых в современную кремниевую технологию и пригодных для создания спиновых МОП-транзисторов, работающих при комнатной температуре, направлено данное изобретение.

Известен патент, в котором описана ферромагнитная гетероструктура для спинтроники, сочетающая полупроводниковые и ферромагнитные свойства с кремниевой технологией (патент РФ №2305723, опубл. 10.09.2007). Гетероструктуру получают вакуумно-термическим напылением на кремниевую подложку слоев марганца и диарсенида цинка с последующей термической обработкой. Технология изготовления является очень сложной, структура материала будет иметь большое количество дефектов, и, следовательно, низкую спиновую поляризацию.

Известно, что высокая степень спиновой поляризации может быть достигнута в полупроводниках при сильном их легировании (до 10²¹-10²² см^-3) 3d переходными металлами (в основном Mn), существенно превосходящем предел его растворимости (≤10¹⁹ см^-3). В настоящее время наиболее распространенным способом получения таких магнитных полупроводников является очень дорогостоящий метод низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии (Н-МЛЭ).

За прототип принят способ получения ферромагнитного кремния (Si_1-xMn_x слоев), заключающийся в поочередном нанесении Si (толщиной 20 Å) и Mn (толщиной 1-2 Å) на сапфировую (Al₂O₃) подложку методом низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии (Н-МЛЭ), при этом температура Кюри ферромагнитного кремния превышает комнатную температуру (S.H.Chiu, H.S.Hsu, J.С.A.Huang, J. Appl. Phys. 103, 07D110 (2008)).

Данных по спиновой поляризации, в частности измерений аномального эффекта Холла, в данной работе нет. Исследовалась только намагниченность объектов, которая может однозначно указывать на наличие спиновой поляризации носителей лишь в однофазных магнитных полупроводниках в условиях непрямого обмена магнитных примесей посредством носителей заряда. На примере III-Mn-V полупроводников установлено (см.: В.В.Рыльков, Б.А.Аронзон, Ю.А.Данилов, Ю.Н.Дроздов, В.П.Лесников, К.И.Маслаков, В.В.Подольский. ЖЭТФ 127, 838 (2005)), что при наличии второй фазы (ферромагнитных нанокластеров MnAs или MnSb) гистерезис в намагниченности может наблюдаться при температурах выше комнатной. При этом, однако, эффект Холла может иметь обычный линейный характер (обусловленный силой Лоренца), как в немагнитном полупроводнике в отсутствие спиновой поляризации носителей. С другой стороны, в однофазных магнитных полупроводниках существенную роль играет аномальный эффект Холла (АЭХ), который пропорционален намагниченности и целиком определяется спиновой поляризацией носителей. Поэтому наблюдение АЭХ в магнитном полупроводнике является важным критерием наличия спиновой поляризации носителей и возможности использования данного материала для создания устройств спинтроники. Между тем, в случае систем типа Si:Mn, потенциально пригодных для создания спиновых МОП транзисторов, данные по наблюдению АЭХ при повышенных температурах нам не известны.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является получение ферромагнитного кремния с аномальным эффектом Холла, с сигналом намагниченности при комнатной температуре при удешевлении способа.

Для этого предложен способ получения ферромагнитного кремния для изделий спинтроники, заключающийся в поочередном осаждении в вакууме слоев кремния и 3d переходного металла на подложку, при этом осаждение проводят из лазерной плазмы, полученной импульсным лазерным испарением мишеней из соответствующего материала.

При этом устанавливают подложку в периферийной части потоков испаряемых материалов.

Осаждение слоев проводят при взаимном перемещении мишеней и подложки относительно друг друга.

При этом регулируют толщину напыляемых слоев и относительное содержание металла изменением потоков лазерного излучения на каждую мишень.

Облучение каждой мишени ведут своим источником импульсного лазерного излучения.

При использовании одной лазерной установки с помощью оптических призм и фокусирующих линз формируют два независимых потока лазерного излучения.

Метод импульсного лазерного осаждения существенно более экономичный и производительный, чем метод низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии Н-МЛЭ. Для практического использования ферромагнитного кремния, полученного методом осаждения из лазерной плазмы в вакууме (ОЛП), требуются слои с ровной поверхностью - высота неровностей на поверхности не должна превышать нескольких нм. Это требование определяет как параметры лазерного излучения, так и условия формирования эрозионного факела при испарении мишени.

Один из наиболее эффективных способов получения гладких поверхностей является испарение раздельных мишеней из двух источников импульсного лазерного излучения. При использовании одной лазерной установки с помощью оптических призм и фокусирующих линз формируются два независимых лазерных пучка.

Специальные исследования показывают, что в поперечном сечении эрозионного факела плотность и размеры капель уменьшаются от центра к периферии значительно быстрее, чем плотность ионизованных или нейтральных атомов. Поэтому появляется возможность контролируемого выравнивания рельефа поверхности растущих слоев, соответствующим образом ориентируя относительно подложки потоки испаряемых частиц.

На фиг 1 показано схематическое изображение установки лазерного вакуумного осаждения,

где 1 - установка лазерного импульсного излучения

2 - оптические призмы

3 - стеклянные пластины

4 - механические заслонки

5 - фокусирующие линзы

6 - подложка

7 - мишени

8 - измеритель мощности

9 - вакуумная камера

10 - пучки лазерного излучения

На фиг.2 приведены зависимости холловского сопротивления от магнитного поля

R_H(В) при T=77К и 300К. Видно, что данные зависимости носят существенно аномальный характер, свидетельствуя о преобладании АЭХ отрицательного знака над нормальным эффектом Холла и о существенной спиновой поляризации носителей.

Зависимость приведена для слоя Si:Mn при 300°С. Оценка концентрации электронов и их подвижности при 77К (кривая 2) дают значения 3·10²¹ см^-3 и 30 см²/B·c соответственно. Ширина петли гистерезиса ~1 кГс.

На фиг.3 показана магнитополевая зависимость для указанного выше образца. Показано высокое значение для этого образца отрицательного магнетосопротивления, которое в поле H=8 кГс достигает ~1,5%.

Способ осуществлялся следующим образом.

Мишени 7 из кремния и металла, например марганца или железа или другого 3d переходного металла, испарялись, как показано на фиг.1, в вакуумной камере 9 раздельно из двух лазерных пучков 10, сформированных призмами 2 и фокусирующими линзами 5 при излучении импульсной лазерной установки 1. Плоскости вращающихся мишеней 7 выставлялись таким образом, чтобы на подложку 6 поступали только периферийные части потоков лазерной плазмы. Для получения более однородных по толщине слоев использовалось чередующееся поворачивание нагреваемого держателя с подложкой 6 на 5° и на 180°, как показано на фиг.1. Механические заслонки 4 служили для перекрывания лазерного излучения. С помощью стеклянных пластин 3 часть лазерного пучка отводилась на детектор измерителя мощности 8 для контроля за ее величиной. Толщина слоев составляет единицы нанометров, а сами слои имеют ровную и гладкую поверхность с высотой неровностей на поверхности, не превышающей нанометра.

Испарение мишеней проводилось с использованием лазерной установки LQ 529 (Беларусь, Минск, ЗАО "SOLAR LS"), позволяющей реализовать описанные выше условия.

Основные параметры лазера LQ529:

- длина волны излучения λ=1064 nm на основной гармонике; λ=532 nm на второй гармонике;

- энергия излучения (мДж) - 500 (1064 nm); 280 (532 nm);

- длительность импульсов (ns) - 10-12;

- частота повторения (Гц) - 10;

- диаметр луча (мм) - 8.

Для испарения мишени из Si использовалось излучение с λ=532 nm. Содержание 3d металла в суммарном потоке частиц на подложку 6 (на фиг.1 - затемненная область треугольной формы, примыкающая к подложке) зависит от соотношения потоков лазерного излучения на каждую мишень и может плавно изменяться перемещением призм 2 относительно выходного лазерного пучка. Контроль величины разделенных потоков ведется с помощью измерителя мощности 8 прибора ИМО-2, регистрирующего сигналы от отражающих стеклянных пластин 3.

Выращивание Si:3d слоев осуществлялось при температуре 300°С с использованием механических заслонок 3, время нахождения которых в открытом или закрытом состоянии определяет толщины отдельных слоев и относительное содержание 3d элемента.

Подложкой, на которую происходило осаждение испаренных слоев кремния, служил высокоомный (чтобы не искажать результаты проводимых измерений выращенного на ней слоя) кристаллический кремний с тщательно очищенной поверхностью с помощью бомбардировки ее интенсивным потоком частиц лазерной плазмы, поступающих на поверхность под некоторым углом в течение ~30 мин в той же вакуумной камере 9. Плотность мощности излучения на испаряемой мишени из кремния - 10⁹ Вт/см². Эпитаксиальные слои кремния выращивались также на монокристаллических подложках из сапфира, ориентированных в плоскости (1102), и из полуизолирующего GaAs (100). В обоих случаях мишенями служили монокристаллические пластины кремния марки КЭФ-10,5 и КДБ-12.

Содержание 3d элемента в Si:3d слоях определялось электронно-зондовым методом при ускоряющем напряжении около 30 кВ.

Технология получения указанного ферромагнитного кремния была реализована с использованием одного лазера, с помощью формирования двух независимых лучей, каждый из которых направлялся на соответствующую мишень.

С помощью лазерного вакуумного напыления был получены образцы ферромагнитного кремния, легированного железом, а также образцы кремния, легированные марганцем. Они представляют собой наноструктуры из чередующихся слоев Si:Fe в первом случае и Si:Mn во втором, причем расстояние между слоями составляет от десятых долей до единиц нанометров, а сами слои имеют ровную и гладкую поверхность с высотой неровностей на поверхности, не превышающей нескольких нанометра. Образец обладал ферромагнитным упорядочением при комнатной температуре с высокой степенью спиновой поляризации. Он имел слабо выраженный электронный тип проводимости при комнатной температуре. При Тизм=77 К проявлялась отчетливо выраженная дырочная проводимость.

Таким образом, с помощью предложенного способа можно получить ферромагнитный кремний, характеристики которого позволят создавать изделия спинтроники, например элементы памяти, необходимые, в частности, для микроэлектроники.

1. Способ получения ферромагнитного кремния для изделий спинтроники, заключающийся в поочередном осаждении в вакууме слоев кремния и переходного 3d металла на подложку, отличающийся тем, что осаждение проводят из лазерной плазмы, подученной импульсным лазерным испарением мишеней из соответствующего материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают подложку в периферийной части потоков испаряемых материалов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение слоев проводят при взаимном перемещении мишеней и подложки относительно друг друга.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют толщину напыляемых слоев и относительное содержание металла изменением потоков лазерного излучения на каждую мишень.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение каждой мишени ведут своим источником лазерного излучения.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что от одного источника лазерного излучения с помощью оптических призм и фокусирующих линз формируют два потока лазерного излучения.