В еженедельнике "Аргументы и факты" (АиФ-Нижний Новгород) вышло интервью с А.Михайловым, зав. лабораторией физики и технологии тонких пленок НИФТИ ННГУ

Читать далее
16.08.2018

В НИФТИ ННГУ с использованием ионной имплантации разработан уникальный УФ-детектор нечувствительный к солнцу (solar-blind photodetector)

Читать далее
14.08.2018

В еженедельнике "Аргументы и факты" (АиФ-Нижний Новгород) вышло интервью с М. Денисенко, зав. лабораторией Теории наноструктур НИФТИ ННГУ

Читать далее
07.08.2018

Коллектив НИФТИ ННГУ поздравляет аспирантов физического факультета ННГУ - сотрудников НИФТИ ННГУ с победой в конкурсе на получение стипендий им. академика Г.А. Разуваева на 2018-2019 учебный год!

Читать далее
03.08.2018

Коллектив НИФТИ ННГУ поздравляет своих сотрудников - молодых кандидатов наук с победой в Президентской программе исследовательских проектов РНФ!

Читать далее
03.07.2018

Спинтроника

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория спиновой и оптической электроники

 

 

1) Фундаментальные исследования в области спинтроники

     - Магнитные полупроводники InMnAs и GaMnAs, полученные методом лазерного нанесения в газовой атмосфере;

     - Магнитные полуметаллические соединения;

    - Ферромагнитные GaAs структуры с одиночным дельта-слоем Mn

 

2) Разработка и исследование новых приборов спинтроники и оптоэлектроники на основе квантово-размерных наноструктур и ферромагнитных нанослоев

      - Спиновые светодиоды

 

 

 

 

 

1) Фундаментальные исследования в области спинтроники

 

     В последние годы ведутся активные исследования в области спиновой электроники (спинтроники), являющейся одним из направлений современной электроники. Задачей данного направления является использование в приборах опто- и наноэлектроники одного из фундаментальных свойств носителя заряда – его спина. В связи с этим актуальной является задача по получению полупроводниковых материалов, перенос заряда в которых осуществляется преимущественно поляризованными по спину носителями. Снятие вырождения по спиновой степени свободы приводит к возникновению ферромагнетизма в таких полупроводниках.

 

     Наиболее активно исследуются полупроводники A3B5, легированные атомами марганца, поскольку бинарные полупроводники нашли широкое практическое применение (в частности, GaAs), а введение атомов Mn, имеющих нескомпенсированный магнитный момент, приводит к появлению ферромагнитных свойств. Такие ферромагнитные полупроводниковые материалы позволяют создавать структуры с уникальными оптическими и транспортными свойствами, а именно: спиновый светоизлучающий диод и полупроводниковые магниторезистивные элементы на основе эффекта спин – зависимого транспорта носителей. Основным методом для получения магнитных полупроводников и структур на их основе является метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

 

 

Магнитные полупроводники InMnAs и GaMnAs, полученные методом лазерного нанесения в газовой атмосфере 

 

     В лаборатории ведутся активные исследования магнитных полупроводников A3MnB5, полученных оригинальным методом – методом лазерного нанесения в газовой атмосфере [1]. В ходе ростового процесса в реакторе МОС-гидридной эпитаксии производится поочередное распыление лазером полупроводниковой мишени и мишени Mn и последующее эпитаксиальное осаждение синтезируемого вещества из образовавшейся лазерной плазмы. Данный метод позволяет получать слои магнитных полупроводников InMnAs, GaMnAs, а также слои GaAs содержащие дельта-слой Mn, проявляющие ферромагнитные свойства в транспорте носителей тока вплоть до комнатной температуры. В частности слои InMnAs демонстрируют транспорт спин-поляризованных носителей (аномальный эффект Холла) вплоть до комнатной температуры, что является наилучшим мировым достижением для данного материала.

 Рис.1

Рис.1. Магнитополевые зависимости сопротивления Холла для слоя InMnAs при 300 и 77 K

 

Магнитные полуметаллические соединения 

     Особый интерес для спинтроники представляют ферромагнитные полуметаллические соединения типа MnB5, такие как MnAs, MnP, MnSb. Особенностью таких материалов является наличие запрещенной зоны для носителей заряда с одной спиновой поляризацией и металлический канал проводимости для носителей с противоположной ориентацией спина. Следствием этого является то, что перенос тока осуществляется практически 100% поляризованными по спину носителями и такие материалы могут использоваться в качестве высокоэффективных эмиттеров спин-поляризованных носителей в полупроводниковые структуры. Магнитные полуметаллы имеют высокую температуру Кюри (315 K для MnAs и порядка 600 K для MnSb), что делает их перспективными для практического применения. Кроме того технологии получения данных материалов совместимы с процессами получения полупроводников A3B5 и структур на их основе. Возможно получение высококачественных эпитаксиальных слоев полуметаллических соединений MnB5 на GaAs.

     Для получения кристаллических слоев MnAs, MnP в используется метод реактивного лазерного нанесения. В ходе ростового процесса производится лазерное распыление мишени металлического Mn в атмосфере гидридов элементов пятой группы (арсина или фосфина) являющихся источниками As и P. Слои MnSb получаются методом лазерного распыления мишеней Mn и Sb в атмосфере газа-носителя (водорода). Толщина создаваемых полуметаллических слоев (как и слоев магнитных полупроводников) может варьироваться в широком диапазоне – от нескольких нанометров до сотен нанометров. Полученные слои являются ферромагнитными при комнатной температуре. Транспортные свойства этих слоев определяются поляризованными по спину носителями тока. Магнитными свойствами получаемых полуметаллических (и полупроводниковых) слоев можно управлять путем изменения ростовых параметров, таких как температура ростового процесса и количество подаваемого в реактор газа-источника.

 

Ферромагнитные GaAs структуры с одиночным дельта-слоем Mn 

     Наряду с получением однородно-легированных ферромагнитных A3B5 слоев значительные успехи были достигнуты в разработке приема дельта-легирования магнитной примесью [1]. Именно такой способ легирования дает больше возможностей по управлению расположением магнитных моментов примесных атомов в гетеронаноструктурах.

     Впервые сочетанием методов МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) и лазерного осаждения в едином ростовом цикле было освоено получение GaAs структур с одиночным дельта-слоем марганца (cодержание марганца в дельта-слое варьировалось в пределах от 0.09 монослоя (МС) до 1.4 МС), проявляющих ферромагнетизм в гальваномагнитных свойствах [2]. Для выращивания структур использовались подложки полуизолирующего GaAs с ориентацией (100). Структуры включали в себя буферный слой GaAs, выращенный методом МОСГЭ при температуре подложки 600 или 650°C, дельта-слой марганца и покровный слой GaAs, полученные лазерным осаждением. Использование лазерного осаждения позволяет существенно понизить температуру роста (до 300-400 °С), что в итоге значительно подавляет диффузию марганца и позволяет получить дельтаобразный вид распределения примеси. Высокотемпературный буферный слой GaAs обеспечивает хорошее кристаллическое качество всей структуры.

     Установлено, что используемый нами метод формирования структур обеспечивает большую на порядок величины электрическую активность примеси марганца при дельта-легировании GaAs по сравнению с молекулярно-лучевой эпитаксией. Эффективная подвижность дырок в структурах GaAs c дельта-слоем Mn более чем на порядок величины при 300 К и на два порядка величины при 77 К превосходила подвижность в однородно-легированных слоях GaMnAs толщиной 0.1 мкм, с теми же значениями слоевой концентрации. Это объясняется созданием дырочного канала протекания в пределах диффузионной длины от дельта-слоя.

Рис.2 

Рис.2. Схематическое изображение GaAs структуры с дельта-легирующим слоем Mn

 

     Показано, что GaAs структуры с одиночным дельта-слоем Mn демонстрируют ферромагнетизм (TC < 30K), обусловливающий нелинейный характер магнитополевых зависимостей сопротивления Холла (аномальный эффект Холла) и отрицательное магнетосопротивление (до 4% в поле 3000 Эрстед) при температурах ниже точки Кюри. Кроме того, наличие ферромагнитных свойств в данных структурах подтверждается присутствием анизотропного магнетосопротивления и планарного эффекта Холла [3].

 

[1] Лазерное распыление в атмосфере водорода как новый метод формирования полупроводниковых наногетероструктур / Б.Н Звонков, О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, П.Б. Демина, А.В. Кудрин, В.П. Лесников, В.В. Подольский // Нанотехника. - 2008. - №1. - C.32-43.

[2] Ферромагнетизм в GaAs структурах с дельта-легированным Mn слоем / О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, М.В. Дорохин, Б.Н. Звонков, И.Л. Калентьева, А.В. Кудрин // Письма в Журнал Технической Физики. – 2009. - Т.35, в.14. - С.8-17.

[3] Кудрин, А.В. Анизотропное магнетосопротивление и планарный эффект Холла в GaAs структуре с дельта-легированным Mn слоем / А.В. Кудрин, О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов // Письма в Журнал Технической Физики. – 2010. – Т.36, в.11. – С.46-53.

 

 

 

 

 

2) Разработка и исследование новых приборов спинтроники и оптоэлектроники на основе квантово-размерных наноструктур и ферромагнитных нанослоев

Спиновые светодиоды 

     Используемая методика лазерного распыления мишеней в реакторе МОС-гидридной эпитаксии позволяет комбинировать в едином ростовом процессе технологии газофазной эпитаксии и лазерного нанесения. Такая ростовая технология позволяет наносить ферромагнитные слои (полупроводниковые и полуметаллические) на высококачественные полупроводниковые слои и гетеронаноструктуры на их основе. В частности данным методом были созданы спиновые светоизлучающие диоды на основе квантовых ям InGaAs в матрице GaAs, эмиттером спин-поляризованных носителей в которых являлись дельта слои Mn либо слои магнитных полупроводников и полуметаллов.

     Источники циркулярно-поляризованного излучения, знак и степень которой управляются магнитным полем, применимы в волоконно-оптических линиях связи, в криптографии, оптоэлектроники. Для успешного функционирования указанных светодиодов требуется создание источников со степенью циркулярной поляризации не ниже 50 %. Одним из перспективных светоизлучающих диодов такого типа является источник, изготовленный на основе гетероструктур с квантовой ямой и дельта-слоем Mn.

Рис.3 

Рис.3. Зависимость степени циркулярной поляризации электролюминесценции от величины приложенного магнитного поля для диодов с InGaAs/GaAs квантовой ямой, отличающихся толщиной спейсерного слоя между квантовой ямой и дельта-слоем Mn.