Магнитотранспортные свойства гибридных структур Fe/SiO2/p-Si тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

На правах рукописи

Тарасов Антон Сергеевич

МАГНИТОТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ГИБРИДНЫХ СТРУТКУР Ре/віОг/р-ві,

Специальность 01.04.11 — физика магнитных явлений

Автореферат

005531789

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-1 АВГ 2013

Красноярск 2013

005531789

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (ИФ СО РАН)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, доцент Волков Никита Валентинович, директор ИФ СО РАН

доктор физико-математических наук, профессор Вальков Валерий Владимирович, Лаборатория теоретической физики ИФ СО РАН, заведующий лабораторией

доктор физико-математических наук Кусраев Юрий Георгиевич, Отделение физики твердого тела физико-технического Института имени А.Ф. Иоффе, руководитель отделения

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. A.B. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится « »_2013 г. в_:_на заседании диссертационного

совета Д 003.055.02 при ИФ СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок 50, стр. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФ СО РАН. Автореферат разослан «I? » и^вкл 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук ■ / , ВтюринА. Н.

V/ 2

Актуальность темы. Исследования отклика магнитных наноразмерных систем на протекание спин-поляризованного тока принесли в последние годы много интереснейших результатов, которые сделали весьма привлекательной идею использования спина электрона в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации [1,2]. Это послужило формированию нового направления в физике конденсированного состояния — спинтроники. Этот раздел охватывает и фундаментальные вопросы спиновых явлений и прикладные вопросы, связанные с созданием принципиально новых электронных устройств. Причем, как это обычно бывает, трудно провести границу, где решаются фундаментальные, а где прикладные задачи.

Одно из самых привлекательных и бурно развивающихся направлений в спинтронике в настоящее время — гибридные наноструктуры, представляющие собой различные комбинации немагнитных полупроводниковых и ферромагнитных (ФМ) элементов [3, 4] .Такие структуры объединяют огромный потенциал традиционной полупроводниковой электроники с потенциалом магнитных материалов — возможностью управлять электронным транспортом, манипулируя спиновым состоянием электронов или использовать спиновый транспорт. Таким образом, функциональные возможности гибридных структур могут быть существенно расширены и даже могут приобрести принципиально новое качество за счет использования наряду с зарядом спиновых степеней свободы. На пути к практическому применению гибридных структур необходимо решить целый ряд вопросов фундаментального характера, включая такие вопросы, как спиновая инжекция в полупроводник, детектирование спиновой поляризации, спиновая аккумуляция, эффективное управление спиновым транспортом в полупроводнике, спиновая диффузия, спиновая релаксация и др.

Немаловажный вопрос - динамические свойства гибридных структур, в частности, электрические свойства на переменном токе. Необходимость исследования импеданса и магнитоимпеданса в магнитных гибридных наноструктурах диктуется, в первую очередь, возможностью их применения в устройствах,

работающих на высоких частотах [5]. Но, с другой стороны, использование им-иедансной спектроскопии открывает путь для более пристального взгляда на природу явлений имеющих место в гибридных структурах. Например, исследования импеданса и магнитоимпеданса позволяют разделить динамические вклады, определяемые процессами переноса заряда и спина, зарядовой и спиновой релаксации в различных участках неоднородных материалов и наноструктур [6].

Кроме того, огромный интерес представляют исследования спин-зависимого транспорта в структурах ферромагнетик/полупроводник в случае внешних комбинированных воздействий. С одной стороны, исследуя характер отклика можно получать дополнительную информацию фундаментального характера о спин-зависимых процессах, имеющих место в гибридных структурах. С другой стороны, подобные исследования позволят обнаружить новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления им в полупроводниках. Одним из каналов управления свойствами полупроводников является оптическое облучение. При этом, как оказалось, можно управлять не только концентрацией неравновесных носителей, но и их спиновым состоянием [7], то есть в целом, спин-зависимым электронным транспортом.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение явлений маг-нитозависимого электронного транспорта в гибридных структурах Ре/8Ю2/р-81 и простейших устройствах на их основе,

В связи с этим, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследования транспортных и магнитотранспортных свойств структуры Ре/8Ю2/р-81 и планарного устройства Ре/8Ю2/р-81 на постоянном токе в широком температурном диапазоне.

2. Исследовать поведение импеданса планарного устройства Бе^СЬ/р^ в зависимости от температуры, магнитного поля и частоты прикладываемого переменного напряжения.

3. Провести исследование влияния комбинированного воздействия оптического облучения и магнитного поля на транспортные свойства структуры Ре/8Ю2/р-81 и планарного устройства Ре/5Ю2/р-$к Научная новизна.

1. Обнаружен эффект переключения токовых каналов между слоями структуры Ре/ЗЮг/р-Бь Установлено, что особенности транспортных свойств определяются переходом метал/диэлектрик/полупроводник с барьером Шотгки, который формируется на границе раздела 8Ю2/р-81.

2. Обнаружен эффект положительного магнитосопротивления в исследуемых структурах при температурах выше 250 К , который обусловлен механизмом слабой локализации, имеющим место при протекании тока в объеме полупроводника.

3. Впервые для планарного устройства, представляющего собой два диода Шотгки, включенных навстречу друг другу, обнаружен магниторезистив-ный эффект, управляемый током смещения. Установлено, что эффект отрицательного магнитосопротивления наблюдается при переходе диода в режим инверсии. Поэтому отрицательное магнитосопротивление необходимо связывать с инверсионным слоем, который формируется в узком слое вблизи границы БК^/р-вь

4. Впервые обнаружен гигантский частотно-зависимый магниторезистивный эффект на переменном токе для гибридных структур. Установлено, что особенности транспортных свойств на переменном токе обусловлены процессами перезарядки поверхностных центров на границе раздела БЮг/р-Зк Основной механизм магнитосопротивления - изменение энергетической структуры уровней поверхностных состояний в магнитном поле.

5. Впервые обнаружен оптически индуцированный гигантский магниторезистивный эффект достигающий величин 104 % в магнитных полях не более 2 кЭ и температуре Т = 15 К. Выявлена сильная зависимость величина и знака оптически индуцированного гигантского магниторезистивного эф-

фекта от смещения на устройстве и направления приложенного магнитного поля. Установлено, что, как и в случае магнитоимпедансом, за данный эффект ответственны поверхностные центры.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволяют получить дополнительную информацию о процессах, имеющих место в гибридных структурах при протекании транспортного тока, открыть новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления ими. Полученные результаты открывают новое направление в кремниевой спинтронике — использование явлений спин-зависимого туннели-рования и спинового транспорта в целом в гибридных структурах с участием «магнитных» поверхностных центров. Принимая во внимание, высокий уровень развития полупроводниковой технологии, можно задуматься о целенаправленном создании «магнитных» поверхностных центров с заданными свойствами в гибридных структурах с барьером Шотгки. Это позволит реализовать магнитозависимые эффекты перспективные для применения в устройствах спинтроники при комнатных температурах и в заданных частотных диапазонах.

Достоверность результатов обеспечивается комплексным характером выполненных исследований, их многократной повторяемостью, непротиворечивостью результатов, полученных различными методами.

Защищаемые положения.

1. Результаты исследования транспортных и магнитотранспортных свойств гибридных структур Fe/Si02/p-Si на постоянном и переменном токе, а также в условиях внешнего оптического облучения с использованием планар-ной геометрии.

2. Установление механизмов магнитосопротивления на постоянном и переменном токе, а также возникновение эффекта магнитосопротивления при воздействии оптического облучения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационой работы докладывались на: 4-ом Евразийском симпозиуме по магнетизму «Trends in MAG-

пеЙБт» (ЕА8ТМАС), 2010, Екатеринбург; на 5-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму «М18М», 2011, Москва; на совместном Европейском магнитном симпозиуме «ШМ82012», 2012, Парма, Италия; на 16-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2012; на 17-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2013.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков. Библиографический список содержит 80 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы задачи и цели исследований. Приведены положения, выносимые на защиту, отражены их научная новизна и практическая ценность.

Первая глава является обзорной. Вначале рассмотрена проблема рассогласования проводимостей, которая заключается в невозможности прямой ин-жекции спин-поляризованных носителей из высокопроводящих ферромагнитных металлов в полупроводники. Показано, что введение тонкого диэлектрического слоя или барьера Шоттки в интерфейс металл/полупроводник позволяет разрешить вышеуказанную проблему. На основе этого заключения ведется рассуждение о выборе материалов для гибридных структур и будущих устройств спинтроники.

Затем приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований спин-поляризованного электронного транспорта в гибридных структурах. Рассматриваются особенности и преимущества планарной геометрии, а также многотерминальные схемы измерений для инжекции и детектирования спин-поляризованных носителей заряда посредством эффектов Ханле и анизотропного магнитосопротивления. Кроме того, рассматриваются результаты ис-

следований гибридных структур на переменном токе и в условиях оптического облучения.

Во второй главе приведены экспериментальные методы исследования и описан способ получения структур Fe/Si02/p-Si.

Большая часть измерений по исследованию магнитных и транспортных свойств образцов проводилась на широкофункциональной серийной установке, предназначенной для исследования физических свойств твердых тел PPMS-9, Quantum Design. Для исследования магнитотранспортных свойств структур на постоянном токе в условиях оптического облучения была создана специальная установка. Она укомплектована двумя полупроводниковыми лазерами с длинами волн 980 и 675 нм мощностью 500 и 1000 мВт соответственно, галогеновой лампой накаливания мощностью 100 Вт в комплексе с призменным монохроматором. Для исследования импеданса и магнитоимпеданса нами была подготовлена еще одна установка. Она базируется на двух анализаторах импеданса (LCR - метрах), что позволяет проводить измерения в диапазоне частот от 20Гц до ЗГГц.

Гибридные структуры Fe/Si02/p-Si были получены в лаборатории Физики магнитных явлений ИФ СО РАН Варнаковым С.Н. В качестве полупроводника выступала пластина кремния, легированная бором и, следовательно, обладающая проводимостью р-типа. Для синтеза структуры использовалась полированная грань (100). На поверхности пластины был получен диэлектрический слой Si02 толщиной 2 нм. Сверху было нанесено железа методом термического испарения в сверхвысоком вакууме (6,5* 10"8 Па) при комнатной температуре. Нами были получены структуры с толщинами пленки Fe 5, 8 и 12 нм. Образцы для исследований были разрезаны на прямоугольники 3><8 мм2. Также нами было подготовлено простейшее планарное устройство, представляющее собой два диода металл/ диэлектрик/полупроводник (МДП) включенных навстречу друг другу.

В третьей главе представлены результаты исследований транспортных и магнитотранспортных свойств структуры Ре/8Ю2/р-81 на постоянном токе, в геометрии «ток в плоскости» (ТВП) (рисунок 1а). На рисунке 16 приведены температурные зависимости сопротивления Я структуры. Основная особенность в поведении Я - резкий, явно выраженный скачок сопротивления образца в температурном диапазоне 250-200 К, который объясняется переключением токового канала между полупроводниковой подложкой и пленкой железа. При высоких температурах, Г >250 К, ток течет преимущественно по полупроводниковой подложке. Ниже 250 К сопротивление туннельного перехода начинает быстро расти и при 200 К более выгодным становиться токовый путь по верхней пленке железа. Как видно, эффектом переключения токовых каналов можно управлять током смещения.

а)

Т>250К

Т<200 К

б)

180

а 160

8 с

а 140

(Л

а:

120

100

- 5 1 «0 ' ? а. =5 пт

100 Н-0 ХЬ»^ Н = 0 • Н = 90 кОе

- 80 210 240 27С ТетрегаШге (К) А

__„ 1=1 цА \

1.1. 1

100 200 300 Тетрега1иге (К)

400

Рисунок 1 - а) геометрия эксперимента и пути протекания тока в структуре Ре/8Ю2/р-51 выше и ниже температуры переключения; б) температурные зависимости сопротивления Я структуры «со сплошной пленкой» в магнитном поле 90кЭ и без магнитного поля

Чтобы подтвердить предположение о переключении токовых каналов, было исследовано планарное устройство (нижняя вставка на рисунке 2а). На рисунке 2 представлены температурные зависимости сопротивления и вольт-амперные характеристики (ВАХ) для планарного устройства. Как можно было

бы предполагать, поведение сопротивления устройства при Г >250 К, качественно повторяет поведение для структуры, рисунок 2а. Но ниже 250 К R начинает экспоненциально быстро расти, достигая величины ~ 105 Ом уже при Г = 100 К, свидетельствуя о быстром росте сопротивления туннельного перехода Fe/Si02/p-Si.

а)

800

В 400

200

б)

< Е

200 250 300 350 400 Temperature (К)

I

¿¿¿абДййци«еацои.шлш< ¿4.............

г—7 -*- -Т=225К

/ —•— -Т=250К

/ —•— - Т=275 К

J —•— -т=зоок

--"І

-1 0

Voltage (V)

Рисунок 2-а) температурные зависимости сопротивления И для структуры в поле Н = 0 и Н = 90 кЭ; ток смещения 1 = 1 цА; б) 1-у характеристики для устройства при различной температуре

Исследование 1-у характеристик образцов показало, что в случае структуры характеристики оказываются линейными практически во всем температурном диапазоне. А для планарного устройства при температурах ниже 300 К на зависимостях наблюдается резкий излом, рисунок 26, весьма характерный для систем, где наблюдается насыщение по току.

Сравнительное исследование 1-у характеристик без магнитного поля и в магнитном поле показало, что выбором величины I можно менять знак и величину магнитосопротивления (МС), а переход планарного устройства в режим стабилизации по току приводит к подавлению магниторезистивного эффекта (рисунок За). Характерный вид полевых зависимостей Я при разных величинах / показан на рисунке 36. Как видно, при различном токе смещения реализуется, как положительное, так и отрицательное МС.

ю

а)

0,2

0,1

о

СС

% 0,0 -0,1 -0.2

0 1 2 3 4 5 0 20 40 60 80

Current (mA) Magnetic field (кОе)

Рисунок 3 - Магнитосопротивление планарного устройства: а) зависимости МС от тока смещения при различных температурах в магнитном поле Я = 90 Юе ; б) полевые зависимости R при Т = 250 К измеренные на токах смещения / = 1 цА и / = 1 mA; пунктирные кривые - аппроксимация для Н2 и у[н

Приведенные экспериментальные результаты позволили заключить, что наблюдаемые особенности транспортных и магнитотранспортных свойств, как структуры, так и планарного устройства определяются процессами, имеющими место при протекании тока через МДП диод с барьером Шоттки., свойства которого кардинально изменяются при изменении напряжения смещения. При малых смещениях главным является ток основных носителей (дырок), с увеличением обратного смещения приповерхностная область полупроводника обедняется основными носителями. При определенной величине смещения реализуется режим инверсии, при котором ток через переход выходит на плато и не меняется при дальнейшем увеличении смещения.. Ток через переход металл/диэлектрик/ полупроводник описывается известным выражением для термоэлектронной эмиссии с барьером Шоттки [8]. Были получены расчетные зависимости и показано, что они повторяют все основные особенности, которые обнаруживаются для экспериментальных кривых.

Относительно полевых зависимостей магнитосопротивления и MP эффекта в целом были сделаны следующие выводы. Для высоких температур эф-

11

\ ^ ч

' 1 I \ -"-.-

\ I : 1 V Н=90 Юе -•— - Т=225 К -*— - 1=250 К —»- - Т=275 К -•— - Т=300 К 1 ■ 1 1

фект объясняются теорией слабой локализации, согласно которой в слаборазо-риентированной среде при учете электронного взаимодействия реализуется положительное магнитосопротивление. Допированный бором кристалл кремния действительно можно рассматривать как среду, в которой носители заряда находятся в случайном потенциале, формируемом за счет случайного распределения примесей в объеме. Отрицательное магнитосопротивление наблюдается в режиме инверсии МДП диода. Отсюда можно заключить, что, по-видимому, отрицательное магнитосопротивление связано с тонким инверсионным слоем на границе 8Ю2/р-81, а не с объемом полупроводника. Не исключено, поэтому, что ферромагнитное состояние верхнего слоя структуры также может играть определенную роль в механизме магнитосопротивления в режиме инверсии.

В четвертой главе представлены результаты исследований частотно-зависимых магнитотранспортных свойств планарного устройства изготовленного из гибридной структуры Ре/8Ю2/р-8ь В работе использовалась экспериментальная методика измерения действительной (Л) и мнимой (X) части импеданса (г = Я+/Л').Температурные зависимости Я и X для различных частоте нулевом магнитном поле показаны на рисунке 4а. На температурных зависимостях наблюдается резкий узкий пик в районе 30 К и на его правом склоне еще один небольшой пик. Именно этот пик является магнитозависимым (его величина и положение зависит от магнитного поля). На зависимостях реактивного сопротивления пики сопротивления выглядят как ступеньки.

В магнитном поле интенсивность пика Я, увеличивается, и он сдвигается в сторону высоких температур (рисунок 46). На зависимости Х(Т) ступеньки в магнитном поле сдвигается в сторону высоких температур (вставка на рисунке 46). С увеличением частоты рш на зависимости я(Т) сдвигается в высокие температуры, его интенсивность быстро спадает, но относительные изменения Я в магнитном поле остаются большими. Тот же сценарий имеет место и для мнимой части импеданса - при увеличении частоты абсолютная величина х

уменьшается, но относительные изменения реактивного сопротивления Ш магнитном поле в области ступенек остаются большими.

100 150 200 250

Т(К)

Рисунок 4 -а) Температурные зависимости действительной и мнимой частей импеданса при различных частотах для двустороннего диода Шотгки Ре/ЗЮг/р^ в нулевом магнитном поле; б) Поведение "магнитозависимого пика" Рт на зависимости ЩТ) и Х(Т)

Анализ литературы показал, что пики и ступи на температурных зависимостях действительной и мнимой частях импеданса действительно наблюдаются для реальных МДП-структур и обусловлены они процессами перезарядки поверхностных состояний и примесных центров, локализованных вблизи границы оксид/полупроводник (рисунок 5).

При рассмотрении температурных зависимостей можно предположить следующий сценарий. При понижении температуры уровень Ферми в р-полупроводнике понижается, приближаясь границе валентной зоны, и при оп-

ределенных температурах происходит пересечение уровня Ферми и уровня поверхностного центра. В этот момент имеет место максимальное изменение заряда центров, тогда на температурной зависимости реальной части импеданса будет наблюдаться пик и соответствующая ему ступень на мнимой части импеданса.

а)

\/=0

б)

У>0

.(0)*

Е,

р-Б!

в)

У>0

Г"

-----------

ЭЮ,

Рисунок 5 - а) Схематическая зонная диаграмма структуры Ре/8Ю2/р-51 содержащая донор-ные поверхностные центры (РеВ)0/+); б) Перезарядка центров при изменении напряжения в связи с термической генерацией дырок в валентной зоне; в) Перезарядка посредством тунне-лирования электронов с поверхностных центров в верхний электрод Ре

Затем, основываясь на анализе температурных и частотных зависимостей мнимой и действительной частей импеданса, была вычислена энергия уровня поверхностного центра чувствительного к магнитному полю. Полученное значение Е°в = 0.124 эВ весьма близко к энергии донорного центра (РеВ)0/+. Кроме того, было выяснено, что возможно два механизма перезарядки интерфейсных центров - перезарядка центров с участием валентной зоны, перезарядка посредством туннелирования электронов с поверхностных центров в верхний электрод Ре через диэлектрический слой 8Ю2 (рисунок 56 и 5в).

Поскольку особенности транспортных свойств на переменном токе определяются процессами перезарядки поверхностных центров на границе 8Ю2/р-81, то причиной магнитотранспортных эффектов является индуцированная магнитным полем перестройка энергетической структуры интерфейсных центров.

Кроме того, показано, что магнитное поле величиной 10 кЭ сдвигает энергетический уровень, по крайней мере, на 20 мэВ. В качестве возможных причин такого поведения обсуждались, соответственно, следующие модели: 1) сжатие волновых функций примесных центров магнитным полем; 2) расщепление примесных зон на верхнюю и нижнюю подзоны. Однако ни в том, ни в другом случае конкретные микроскопические механизмы изменений электронной структуры примесных центров в магнитном поле остались неясными.

а)

1x10"

/

' Т=30 к

б)

20 , . , , 1

У f=1 kHz

OL S 10 • Т=30 к

0

-10

Рисунок 6 - а) Намагниченность планарного устройства Fe/Si02/p-Si, М, как функция магнитного поля при 30 К; б)Активное магнитосопротивление как функции магнитного поля при 30 К для частоты 1 kHz. Стрелками показаны части зависимостей, выполненные после охлаждения в нулевом магнитном поле.

Также был получен отрицательный магниторезистивный эффект при выполнении определенных условий. Оказалось, что если ферромагнитный электрод (Fe) полностью размагничен, и охлаждение устройства для измерений при низких температурах проводить в нулевом магнитном поле, то на зависимостях Ш(Н) обнаруживается участок низкополевого отрицательного МС в магнитных полях от О до 2 кЭ, рисунок 66, по поведению совпадающий с первоначальной кривой намагничивания слоя Fe (рисунок 6а). Такая корреляция в поведении Ш(Н) и М(Н) позволяет предполагать влияние магнитного состояния ферромагнитного слоя на магнитотранспортные свойства планарного уст-

ройства на переменном токе. Это в свою очередь подразумевает наличие спин-зависимого туннелирования носителей заряда через потенциальный барьер между Ре электродом и магнитными интерфейсными центрами расположенными вблизи границы 8Ю2/р-81.

В пятой главе представлены результаты исследований транспортных и магнитотранспортных свойств гибридных структур Ре/БЮ^^ с барьером Шоттки в неравновесных условиях, созданных оптическим излучением. Из общего числа выделяются два принципиальных результата: 1) гигантский магни-торезистивный эффект, индуцированный оптическим излучением; 2) сильная зависимость сопротивления от величины и знака прикладываемого магнитного поля.

Рисунок 7-а) Геометрия эксперимента; б) Обозначение полярности тока; в) Температурная зависимость сопротивления образца на постоянном токе; г) Зависимость от температуры при облучении одного из МДП диодов

Схематично геометрия эксперимента и полярность тока смещения через образец по отношению к облучаемому электроду показана на рисунок 7а и 76. В экспериментах облучался только один из электродов устройства, через окно в специальном экране с диаметром 1 мм2. На рисунке 7в приведена температурная зависимость сопротивления образца на постоянном токе II, полученные без

15

облучения. Показано, что рост Я ниже температуры 50 К связан с захватом дырок донорными поверхностными состояниями и, соответственно, с выключением их из процессов проводимости на постоянном токе в тот момент, когда

они оказываются выше уровня Ферми. Зависимость ЯрН от температуры при облучении одного из МДП диодов для одной величины тока смещения (/ = 70

цА), но двух разных полярностей / приведены на рисунке 7г. Не вдаваясь в подробности укажем, что основной вклад в фоторезистивный эффект обусловлен оптическими переходами с участием указанных поверхностных донорных состояний.

Рисунок 8 - Низкотемпературные зависимости Ярй(Г) и ДЯ/Я(Т) полученные для / = +20 цА (а и б) и / = -20 цА (в и г)

На рисунке 8 показаны низкотемпературные зависимости Ярк(Т), полученные в условиях воздействия оптического излучения, как без магнитного по-

17

ля, так и в поле Н - 6 кЭ, а также соответствующие зависимости фотоиндуци-рованного магнитосопротивления = [Я(Н) - Д(0)]//?(0) от темпера-

туры. Результаты получены для / = +20 цА (рисунок 8а и 86) и / = -20 цА (рисунок 8в и 8г), поскольку именно при этих величинах смещения наблюдается максимальный эффект влияния магнитного поля. Обращает на себя внимание огромная величина фотоиндуцированного магниторезистивного эффекта,

ДД/Й может в несколько раз превышать 104 % в поле Н = б кЭ, а также чрезвычайно высокая чувствительность фотоиндуцированного магниторезистивного эффекта к знаку Н.

Анализируя отклик фотопроводимости на магнитное поле, было сделано предположение, что ключевую роль в оптически индуцированном магниторе-зистивном эффекте играют локализованные поверхностные состояния и, возможно, особенности поведения неравновесных носителей заряда в исследуемом устройстве. Появление положительного МС можно понять, если предположить, что магнитное поле сдвигает энергетические уровни поверхностных центров вверх относительно потолка валентной зоны. Действительно, при определенной температуре уровень Ферми приближается к уровням поверхностных центров,

пока они ниже Ер, они участвуют в оптических переходах, и фотоэлектроны обеспечивают высокую проводимость МДП перехода и устройства в целом. За

счет сдвига в магнитном поле уровни центров оказываются выше Ер, захватывают дырки и, тем самым, выключаются из процесса генерации фотоэлектронов. Проводимость перехода и устройства в целом падает растет).

В заключении диссертации крастко сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружен эффект переключения токовых каналов между слоями структуры Ре/8Ю2/р-8ь Установлено, что особенности транспортных свойств определяются переходом метал/диэлектрик/полупроводник с барьером Шотгки, который формируется на границе раздела 8Ю2/р-8ь Показано, что эффект положительного магнитосопротивления в исследуемых структурах обусловлен механизмом слабой локализации, имеющим место при протекании тока в объеме полупроводника.

2. Впервые обнаружен эффект отрицательного магнитосопротивления для планарного устройства изготовленного на основе структуры Ре/8Ю2/р-81. Установлено, что отрицательное магнитосопротивлене связано с инверсионным слоем, который формируется в узком слое вблизи границы 8Ю2/р-81 при определенных токах смещения.

3. Впервые обнаружен частотно-зависимый гигантский магниторезистивный эффект на переменном токе для планарного устройства Ре/вЮ^/р-Бь Выявлено, что особенности транспортных свойств на переменном токе обусловлены процессами перезарядки поверхностных центров на границе раздела 8Ю2/р-81. Установлено, что магнитное поле индуцирует изменение энергетической структуры уровней поверхностных состояний.

4. Впервые обнаружен оптически индуцированный гигантский магниторезистивный эффект достигающий величин 104 % в магнитных полях не более 2 кЭ и температуре Т = 15 К. Обнаружена сильная зависимость величины оптически индуцированного гигантского магниторезистивного эффекта от смещения на структуре и направления приложенного магнитного поля. Установлено, что, как и в случае с магнитоимпедансом, данный эффект проявляется благодаря наличию поверхностных центров.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Volkov N.V., Tarasov A.S., Eremin E.V., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., and Zharkov S.M. Magnetic-field- and bias-sensitive conductivity of a hybrid Fe/Si02/p-Si structure in planar geometry // J. Appl. Phys. - 2011. - V. 109. - P. 123924.

2. Volkov N.V., Eremin E.V., Tarasov A.S., Rautskii M.V., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., and Patrin G.S. Magnetic Tunnel Structures: Transport Properties Controlled by Bias, Magnetic Field, and Microwave and Optical Radiation // JMMM-2012. - V. 324. - P. 3579-3583.

3. Volkov N.V., Tarasov A.S., Eremin E.V., Eremin A.V., Varnakov S.N., and Ovchinnikov S.G. Frequency-Dependent Magnetotransport Phenomena in a Hybrid Fe/Si02/p-Si Structure // J. Appl. Phys. -2012. -V. 112. - P. 123906.

4. Volkov N.V., Eremin E.V., Tarasov A.S., Varnakov S.N., and Ovchinnikov S.G. Bias-Current and Optically Driven Transport Properties of the Hybrid Fe/Si02/p-Si Structures // Solid State Phenomena. - 2012. - V. 190. - P. 526-529.

5. Volkov N.V., Eremin E.V., Tarasov A.S., Varnakov S.N., and Ovchinnikov S.G. Controlled channel switching in hybrid tunnel structures // IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism": Nanospintronics (EASTMAG - 2010), Abstracts, Ekaterinburg, Russia. - 2010. -P.200.

6. Volkov N.V., Eremin E.V., Tarasov A.S., Varnakov S.N., and Ovchinnikov S.G. Bias-current and optically driven transport properties of the hybrid Fe/Si02/p-Si structures // Moscow International Symposium on Magnetism (MISM2011), Abstract Book, Moscow, Russia. - 2011. - P. 109.

7. Волков H.B., Тарасов A.C., Еремин E.B., Еремин А.В., Варнаков С.Н., и Овчинников С. Г. Гибридные структуры ферромагнетик/дилектрик/ полупроводник: магнитосопротивление, магнитоимпеданс, фотоэлектрический эффект // XVI Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Сборник трудов, Нижний Новгород, Россия. — 2012. —Т. 1. — С. 102.

8. Volkov N.V., Tarasov A.S., Eremin E.V., Eremin A.V., Varnakov S.N., and Ovc-hinnikov S.G. Magnetically Driven Electron Transport in Fe/Si02/p-Si Hybrid Nanostructures// Joint European Symposia on Magnetism (JEMS2012), Book of Abstracts, Parma, Italy. - 2012. - P. 80.

9. Волков H.B., Тарасов A.C., Еремин A.B., Варнаков С.Н., Овчинников С. Г., Густайцев А.О., Бондарев И.А. Спин-зависимый электронный транспорт в гибридных структурах с участием локализованных поверхностных состояний // XVII Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Сборник трудов, Нижний Новгород, Россия. — 2013. -Т.1. - С. 101.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Fert A. The origin, development and future of spintronic // UFN. - 2008. - V.178. -N.12.-P. 1336.

2. Грюнберг П.А. От спиновых волн к гигантскому магнетосопротивлению и далее // УФН. - 2008. - Т. 178. Вып.12. С. 1349-1358.

3. JansenR. Siliconspintronics//NatureMaterials.-2012.-V.ll.-P. 400-408.

4. Jansen R., Dash S. P., Sharma S., and Min В. C. Silicon spintronics with ferromagnetic tunnel devices// Semicond. Sci. Technol. - 2012. - V.27. - P. 083001.

5. Kanoun M., Benabderrahmane R., Duluard C., Baraduc C., Bruyant N., Bsiesy A., and Achard H. Electrical study of ferromagnet-oxide-semiconductor diode for a magnetic memory device integrated on silicon// Appl. Phys. Lett. - 2007. - V.90. -P. 192508.

6. Barik S. K., and Mahendiran R. Anomalous alternating current magnetoresistance in LaosCaosMn^NiA (x=0.04) // J. Appl. Phys. - 2011. - V.109. - P. 07D724.

7. Kurebayashi H., Steinmuller S. J., Ьа1оё J. В., Trypiniotis Т., Easton S., Ionescu A., Yates J. R., and Bland J. A. C. Initial/final state selection of the spin polarization in electron tunneling across an epitaxial Fe/GaAs(001) interface // Appl. Phys. Lett. — 2007. — V.91. — P. 102114.

8. Sze S.M. Semiconductor Devices // Wiley, New York, 1985.

Подписано в печать 12.07.2013. Фрмат 60x90/16. Тираж 70 экз. Заказ № 33 Типография ФГБУН Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок, 50, ИФ СО РАН

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

Тарасов Антон Сергеевич

МАГНИТОТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ГИБРИДНЫХ СТРУКТУР Ре/^Ог/р^

^^ Специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

СО

со

СМ со

Диссертация на соискание ученой степени ^^ О кандидата физико-математических наук

СМ 2

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Волков Н.В.

Красноярск 2013

\

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. Гибридные структуры ферромагнетик/диэлектрик/ 10 полупроводник

1.1 Рассогласование проводимостей 11

1.2 Выбор материалов при формировании гибридных структур 17

1.3 Геометрия ток в плоскости структуры 19

1.4 Топология структур, многотерминальная геометрия 22

1.5 Эффект Ханле; анизотропное магнитосопротивление; магнитное 25 расщепление спиновых подзон в двумерном электронном газе

1.6 Гибридные структуры на переменном токе 30

1.7 Отклик гибридных структур на воздействие оптического излучения 37

1.8 Визуализация спинового транспорта в гибридных структурах 40

Выводы и постановка задачи 42

Глава 2. Экспериментальные методы исследования гибридных струк- 43 тур. Получение образцов.

2.1 Описание технологии получения образцов 43

2.2 Экспериментальные методы исследования гибридных структур 46

2.2.2 Установка для прецизионных исследований транспортных и маг- 49 нитотранспортных свойств структур на постоянном токе

2.2.3 Установка для прецизионных исследований транспортных и маг- 50 нитотранспортных свойств структур на переменном токе

Основные результаты 52

Глава 3. Гибридные структуры Ре/8Ю2/р-8к транспортные и магнито- 53 транспортные свойства на постоянном токе

3.1 Транспортные и магнитотранспортные свойства 53

3.2 Диод с барьером Шоттки 61

3.3 Механизмы магниторезистивного эффекта 66 Основные результаты 69

Глава 4. Исследования частотно-зависимых магнитотранспортных 71 свойств планарного устройства на основе гибридной Ре/8Ю2/р-81 структуры с барьером Шоттки

4.1 Импеданс без магнитного поля 72

4.2 Импеданс в магнитном поле 78

4.3 Поверхностные центры 83

4.4 Механизм влияния магнитного поля 87

Основные результаты 93

Глава 5. Исследования транспортных и магнитотранспортных свойств 96 гибридных структур Ре/8Ю2/р-81 с барьером Шоттки в неравновесных условиях, созданных оптическим излучением

5.1 Низкотемпературные особенности фотоэлектрического эффекта 97

5.2 Транспортные свойства планарного устройства в условиях оптиче- 99 ского облучения

5.3 Оптически индуцированный магниторезистивный эффект 103 Основные результаты 113

Заключение

Список цитируемых источников литературы

Введение

Актуальность темы.

Спинтороника - область физики конденсированного состояния, изучающая спиновые явления с целью улучшения эффективности электронных устройств и придания им новой функциональности за счет использования не только заряда, но и спина электрона.

Большие ожидания в спинтронике связаны с гибридными наноструктурами, объединяющими в себе «классические» полупроводники и магнитные материалы. С одной стороны хорошо известен потенциал магнитных структур (спин-вентильные структуры, магнитные туннельные структуры), которые уже нашли свое применение в устройствах магнитной памяти. Очевидны преимущества таких устройств: быстродействие, энергонезависимость, высокая стабильность. С другой стороны полупроводниковые материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах изменением температуры, допированием примесями, электрическим полем, оптическим излучением, что, в конечном счете, и определяет огромный потенциал современных полупроводниковых технологий.

Вполне объяснимо, что в настоящее время основные усилия исследователей направлены на решение фундаментальных задач спиновой инжекции, детектирования спинового состояния и управления таким состоянием в полупроводниках. Это прямой путь к построению элементов обработки и передачи сигнала в полупроводниках с использованием спиновых степеней свободы. Вместе с тем, на сегодняшний день остается много вопросов, касающихся спин-зависимых эффектов в гибридных структурах, как технологического, так и фундаментального характера.

Следует отметить два характерных момента, имеющих отношение к кремниевым гибридным структурам. Первый касается того факта, что вся кремниевая полупроводниковая электроника построена по планарной технологии. Это предъявляет определенные требования и к гибридным кремние-

вым структурам - они должны быть совместимы с такой технологией. Второй характерный момент связан с решением принципиальных вопросов ин-жекции и экстракции спин-поляризованного тока в полупроводник и из полупроводника. Решение многих возникающих при этом проблем видится в формировании границы раздела ферромагнетик-полупроводник с сопротивлением, зависящим от спиновой поляризации электронного тока. Простейший способ это реализовать - формировать на границе туннельные переходы.

Немаловажный вопрос - электрические свойства гибридных структур на переменном токе. Необходимость исследования импеданса и магнитоимпе-данса в магнитных гибридных наноструктурах диктуется, в первую очередь, возможностью их применения в устройствах, работающих на высоких частотах. Но, с другой стороны, использование импедансной спектроскопии открывает путь для более пристального взгляда на природу явлений имеющих место в гибридных структурах

Кроме того, огромный интерес представляют исследования спин-зависимого транспорта в структурах ферромагнетик/полупроводник в случае внешних комбинированных воздействий (магнитное и электрическое поле, СВЧ и оптическое излучение). Исследуя характер отклика можно получать дополнительную информацию фундаментального характера о спин-зависимых процессах, имеющих место в гибридных структурах. Также, подобные исследования позволят обнаружить новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления им в полупроводниках.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение явлений магнитозависимого электронного транспорта в гибридных структурах Ре/8Ю2/р-81 и простейших устройствах на их основе. В связи с этим, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследования транспортных и магнитотранспортных свойств структуры Ре/8Ю2/р-81 и планарного устройства Ре/8Ю2/р-81 на постоянном токе в широком температурном диапазоне.

2. Исследовать поведение импеданса планарного устройства Ре/8Ю2/р-81 в зависимости от температуры, магнитного поля и частоты прикладываемого переменного напряжения.

3. Провести исследование влияния комбинированного воздействия оптического облучения и магнитного поля на транспортные свойства структуры Ре/8Ю2/р-81 и планарного устройства Ре/8Ю2/р-8ь

Научная новизна.

1. Обнаружен эффект переключения токовых каналов между слоями структуры Ре/8Ю2/р-8ь Установлено, что особенности транспортных свойств определяются переходом метал/диэлектрик/полупроводник с барьером Шоттки, который формируется на границе раздела 8Ю2/р-8ь

2. Обнаружен эффект положительного магнитосопротивления в исследуемых структурах при температурах выше 250 К , который обусловлен механизмом слабой локализации, имеющим место при протекании тока в объеме полупроводника.

3. Впервые для планарного устройства, представляющего собой два диода Шоттки, включенных навстречу друг другу, обнаружен магниторези-стивный эффект, управляемый током смещения. Установлено, что эффект отрицательного магнитосопротивления наблюдается при переходе диода в режим инверсии. Поэтому отрицательное магнитосопротивление необходимо связывать с инверсионным слоем, который формируется в узком слое вблизи границы 8Ю2/р-8ь

4. Впервые обнаружен гигантский частотно-зависимый магниторезистив-ный эффект на переменном токе для гибридных структур. Установлено, что особенности транспортных свойств на переменном токе обусловлены процессами перезарядки поверхностных центров на границе раздела 8Ю2/р-8ь Основной механизм магнитосопротивления - изменение энер-

гетической структуры уровней поверхностных состояний в магнитном поле.

5. Впервые обнаружен оптически индуцированный гигантский магниторе-зистивный эффект достигающий величин 104 % в магнитных полях не более 2 кЭ при температуре Т = 15 К. Выявлена сильная зависимость величины и знакы оптически индуцированного гигантского магниторези-стивного эффекта от смещения на устройстве и направления приложенного магнитного поля. Установлено, что, как и в случае с магнитоимпе-дансом, за данный эффект ответственны поверхностные центры. Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволяют получить дополнительную информацию о процессах, имеющих место в гибридных структурах при протекании транспортного тока, открыть новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления ими. Полученные результаты открывают новое направление в кремниевой спинтронике - использование явлений спин-зависимого туннелирования и спинового транспорта в целом в гибридных структурах с участием «магнитных» поверхностных центров. Принимая во внимание, высокий уровень развития полупроводниковой технологии, можно задуматься о целенаправленном создании «магнитных» поверхностных центров с заданными свойствами в гибридных структурах с барьером Шоттки. Это позволит реализовать магнитозависимые эффекты перспективные для применения в устройствах спинтроники при комнатных температурах и в заданных частотных диапазонах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационой работы докладывались на: 4-ом Евразийском симпозиуме по магнетизму «Trends in MAGnetism» (EASTMAG), 2010, Екатеринбург; на 5-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму «MISM», 2011, Москва; на совместном Европейском магнитном симпозиуме «JEMS2012», 2012, Парма, Италия; на 16-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Ниж-

ний Новгород, 2012; на 17-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2013.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 124-ех страницах машинописного текста, включая 55 рисунков. Библиографический список содержит 80 наименований.

Глава 1. Гибридные структуры ферромагнетик/диэлектрик/ полупроводник

Исследования отклика магнитных наноразмерных систем на протекание спин-поляризованного тока принесли в последние годы много интереснейших результатов, которые сделали весьма привлекательной идею использования спина электрона в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации [1; 2]. Это послужило формированию нового направления в физике конденсированного состояния - спинтроники. Этот раздел охватывает и фундаментальные вопросы спиновых явлений и прикладные вопросы, связанные с созданием принципиально новых электронных устройств. Причем, как это обычно бывает, трудно провести границу, где решаются фундаментальные, а где прикладные задачи.

Одно из самых привлекательных и бурно развивающихся направлений в спинтронике в настоящее время - гибридные наноструктуры, представляющие собой различные комбинации немагнитных полупроводниковых и ферромагнитных (ФМ) элементов [3]. Такие структуры объединяют огромный потенциал традиционной полупроводниковой электроники с потенциалом магнитных материалов - возможностью управлять электронным транспортом, манипулируя спиновым состоянием электронов или использовать спиновый транспорт. Таким образом, функциональные возможности гибридных структур могут быть существенно расширены и даже могут приобрести принципиально новое качество за счет использования наряду с зарядом спиновых степеней свободы.

На пути к практическому применению гибридных структур необходимо решить целый ряд вопросов фундаментального характера, включая такие вопросы, как спиновая инжекция в полупроводник, детектирование спиновой поляризации, спиновая аккумуляция, эффективное управление спиновым транспортом в полупроводнике, спиновая диффузия, спиновая релаксация и ДР-

В этой главе мы рассмотрим основные модели, теоритические и экспериментальные подходы, разработанные для решения описанных выше проблем.

1.1 Рассогласование проводимостей

Одна из главных проблем, возникающая при объединении ФМ и полупроводниковых элементов в гибридных наноструктурах, связана с «рассогласованием проводимостей» контактирующих материалов [4].

Большинство представленных ранее 2000 года экспериментальных работ по инжектированию спин-поляризованных электронов из ФМ металла в полупроводник демонстрируют эффективность менее 1% [5, 6]. В то время как, инжекция из магнитных в немагнитные полупроводники более эффективна и достигает 90 % [7, 8]. Обычно, в экспериментах по спиновой инжекции из ферромагнитного (ФМ) металлического контакта используется такая геометрия, в которой ФМ металл является как инжектором, так и детектором. Предполагается что ток в ФМ спин-поляризован вследствие различной плотности состояний для электронов со спином вверх и со спином вниз. Тогда сопротивление устройства с двумя ФМ контактами будет зависеть от относительной намагниченности этих контактов.

Существует несколько теоритических моделей для описания электронного транспорта через различные типы интерфейсов: линейная модель для интерфейса ФМ металл/обычный металл не учитывающая детальное поведение химического потенциала для различных направлений спина [9]; модель для эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) и многослойных структур, состоящих из любых металлов, базирующаяся на больцмановском приближении [10]. Кроме того, модель [10] была успешно применена для интерфейса сверхпроводник/ФМ [11]. Однако все они предполагают схожие характеристики контактирующих материалов. Шмидт (Schmidt) [4] предложил модель для систем, в которых физические свойства материалов различаются кардинально.

Эта теория базируется на предположении, что спиновое рассеяние происходит намного позже, нежели любое другое электронное рассеяние. При таком приближении электрохимические потенциалы и /л^ могут быть определены для обоих направлений спина в любой точке устройства. Если ток течет только в х-направлении (перпендикулярно границе раздела слоев), то взаимосвязь электрохимических потенциалов ^ и /л^ , тока у, проводимости (У, постоянной диффузии £) и спин-флип константы определяется законом Ома и уравнением диффузии:

=

дх сггл г5/ дх2

Где О - это средняя константа диффузии для обоих направлений спина. Еще одно допущение, не меняющее общности рассуждений - интерфейс не имеет сопротивления, то есть на границе не происходит спинового рассеяния. В таком случае электрохимические потенциалы и плотности тока непрерывны.

Из этих выражений вытекает, что на границе двух материалов происходит расщепление электрохимических потенциалов, которое пропорционально полной плотности тока на границе раздела. Разность между двумя электрохимическими потенциалами спадает экспоненциально с удалением от интерфейса и стремится к нулю при х = ±оо . Спин-флип длина (длина, на которой сохраняется спина) в полупроводнике на несколько порядков выше, чем

Л^ в ферромагнетике. В приближении бесконечного происходит расщепление хим. потенциала, которое остается постоянным на всем протяжении полупроводника. Если ширина полупроводника близка к оо, то химические потенциалы для спина вверх и спина вниз спадают линейно и параллельно, запрещая инжекцию спин-поляризованного тока если проводимости

обоих спиновых каналов равны. В то же время, ФМ контакт влияет на электронную систему полупроводника, увеличивая на порядок длину спин-флипа

4е в полупроводнике. Если второй контакт расположен на расстоянии меньшем, чем Л^, то поведение системы в значительной степени зависит от

спиновой поляризации тока.

Для описанной выше системы можно составить следующую электрическую схему (рисунок 1а). А выражение для спиновой поляризации имеет следующий вид:

, ч J,t(x)-J,i(x) а, (*) = —---

(2)

a)

R1t Rsc- R3t

- nu - I Rsc.

б)

Рисунок 1 — а) электрическая схема спинового устройства; б) схематическая диаграмма изменения хим. потенциала в спиновом устройстве ФМ/полупроводник/ФМ [4]

parallel

с

- anti parallel

Опуская дальнейшие рассуждения авторов [4], скажем, что такой подход к рассмотрению данной задачи позволяет оценить спиновую поляризацию в реальных системах. То есть если взять данные для типичных спиновых систем (поляризация в ФМ «60%, х0 -1/ш, Я^ -Юпт, сгм =104сгж) мы получим а « 0,002%. Таким образом, для обычных ферромагнетиков только ток с очень низкой спиновой поляризацией может быть инжектирован в полупроводн