Другое: Рентгеновская диагностика

Рентгеновская диагностика

Оглавление

1. Введение

. Литературный обзор:

.1 Спинтроника

.2 Спиновые токи в структурах GaAs/Fe

.3 Применение оксида магния

.4 Метод рентгеновского рассеяния

.5 Метод рентгеновской рефлектометрии

. Экспериментальные методики:

.1 Измерение индикатрис рассеяния

.2 Измерение кривых отражения

. Результаты исследований наноструктур:

.1 Исследование туннельных барьеров MgO

.2 Исследование структур GaAs/MgO/Fe

. Заключение

. Список литературы

1. Введение

Одним из основных направлений развития микроэлектроники является уменьшение размеров элементов интегральных микросхем (топологической нормы), сопровождающееся увеличением числа элементов в схеме. Очевидно, что данный процесс не может продолжаться бесконечно из-за технологических ограничений. Для возможности дальнейшего развития требуется применение новых иных физических эффектов, одним из которых является использование для передачи цифровых сигналов фундаментального свойства электрона - спина. Это позволит избежать ограничений, связанных с ёмкостной постоянной времени, тем самым увеличив производительность, и снизить резистивные напряжение, сопровождающиеся накоплением тепла [1]. Данное направление развития микроэлектроники получило название спинтроника. Простейшие устройства спинтроники представляют собой пленочные структуры, использующие эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) и эффект туннельного магнетосопротивления (TMR), которые возможно адаптировать для применения в электронной промышленности [2].

Среди актуальных проблем спинтроники можно выделить низкую эффективность инжекции спин-поляризованных электронов в полупроводник. Основными причинами является несовершенство границ раздела, несоответствие кристаллических решеток и проводимостей материалов. Для преодоления данной проблемы планируется использовать наноструктурированные туннельные барьеры MgO между ферромагнитным инжектором и полупроводником. При спин-зависимом туннелировании теоретически и экспериментально показано увеличение эффективности поляризации [3, 4]. Предполагается, что туннельный барьер устранит несоответствие кристаллических решеток, проводимостей, уменьшит взаимодиффузию материалов [5, 6] и даст возможность достичь относительно большой спиновой поляризации инжектируемых электронов.

Настоящая работа является частью международного проекта, посвященного моделированию, созданию и изучению параметров тонкопленочных наноструктур с барьерным слоем MgO [7]. Инициатором проекта является исследовательская группа Физического факультета и центра микроструктур Гамбургского университета, Германия. Группа имеет научный и технический задел в области создания и исследования металлических и полупроводниковых покрытий наноразмерной толщины. Оборудование, имеющееся в центре микроструктур позволяет не только получать структуры требуемой толщины, но и изготовлять прототипы микроэлектронных устройств, при этом проводя электрические измерения их параметров, в том числе под влиянием внешнего магнитного поля. Результаты, полученные группой Гамбургского университета, представлены в разделе 2. Стороны-участники проекта представлены следующими организациями: Технологический университет г. Жешув, Польша; Институт кристаллографии РАН, Москва. Работа выполнена в Лаборатории рентгеновской рефлектометрии и малоуглового рассеяния Института кристаллографии РАН. Лаборатория обладает оборудованием, позволяющим осуществлять контроль параметров шероховатости границ раздела и толщин нанесенных покрытий рентгеновскими методами. Данное оборудование было использовано автором в настоящей работе для проведения исследований в рамках данного проекта. Методики проведения экспериментов изложены в разделе 3. Личный вклад заключается в применении методов рентгеновской диагностики тонкопленочных наноструктур, а именно в проведении экспериментов методами рентгеновской рефлектометрии и рентгеновского рассеяния, по данным которых были установлены параметры нанесенных слоев и статистические характеристики границ раздела исследованных образцов. Полученные результаты представлены в разделе 4.

2. Литературный обзор

.1 Спинтроника

спиновой рентгеновский рассеяние отражение

Спинтроника, она же магнитоэлектроника - направление электроники, изучающее магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых наногетероструктурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают собственным магнитным моментом, согласно принципу квантования проекции спина на выбранную ось электроны разделяют на два типа носителей тока: электроны со спином-вверх и электроны со спином-вниз (Ѕ или -Ѕ) [2].

Существует множество эффектов, связанных с магнитными взаимодействиями, но в этом разделе будут рассмотрены те эффекты, на которых основан принцип работы разрабатываемых и изучаемых в работе структур.

Наиболее известным эффектом, обнаруженным в металлических многослойных структурах, является эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), обусловленный спиновой зависимостью рассеивания электронов проводимости от типа магнитного упорядочения смежных слоев в пленке [2]. В среднем ток по спину не поляризован, но при протекании тока в намагниченных ферромагнитных металлах складывается иная ситуация. 3d зона таких металлов расщеплена - она имеет различные концентрации электронов со спинами «вверх» и «вниз» на уровне Ферми (рис. 1).

Электроны, проходящие через намагниченный ферромагнетик, в зависимости от спина могут испытывать рассеивание на магнитной подрешетке, вследствие чего увеличивается электросопротивление материала. На основе данного эффекта возможно создание спинового клапана, поляризующего протекающий через него ток.

Рис. 1. Концентрация 3d-электронов проводимости в ферромагнетике в зависимости от энергии: без приложения магнитного поля (а) и в присутствии магнитного поля (б) [8].

Как видно из рисунка 2, если спин электронов противоположно направлен вектору намагничивания, то электроны испытывает сильное рассеяние, а электроны со спином, сонаправленным с вектором намагничивания, свободно преодолевают ферромагнитный слой.

Рис. 2. Принципиальная схема проводимости в многослойных магнитных пленках, показывающая, как спиновое рассеивание приводит к различной проводимости для параллельной (а) и антипараллельной (б) ориентации векторов намагничивания [2].

Также существует более перспективный подобный эффект - эффект туннельного магнетосопротивления (TMR), отличающийся тем, что в качестве немагнитного слоя используется диэлектрик. Он заключается в спин-зависимом туннелировании электронов через тонкую диэлектрическую прослойку, находящуюся между двумя ферромагнетиками. Вероятность туннелирования зависит от длины волны или энергии электрона. В ферромагнитном материале энергия электронов с ориентацией спина вверх или вниз различна. Это приводит к спин-зависимому туннельному эффекту. Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала (рис. 3).

Рис. 3. Энергетические диаграммы, объясняющие эффект туннельного магнетосопротивления. а) параллельное направление магнитных моментов смежных слоев, б) антипараллельное [9].

2.2 Спиновые токи в структурах GaAs/Fe

Согласно имеющимся данным исследований, основной причиной малой эффективности инжекции спин-поляризованных электронов в полупроводник является несовершенство границ раздела, поэтому большое внимание было уделено их структурным исследованиям. Предыдущие работы исследовательской группы Института физики твердого тела и микроструктур Гамбургского университета были направлены на получение спиновой инжекции в структурах GaAs/Fe, в основе которой лежит эффект гигантского магнетосопротивления. Данные, приведенные в данном разделе, получены исследовательской группой Физического факультета и центра микроструктур Гамбургского университета [7]. Образцы производились на установке, позволяющей осуществлять молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE) материалов различного типа в отдельных камерах в автоматическом режиме, а также осуществлять измерения методами дифракции электронов высоких энергий на отражение (RHEED) и атомно-силовой микроскопии (AFM), без извлечения образца из вакуумных камер.

Рис. 4. Высоковакуумная многокамерная система для подготовки тестовых структур [10].

В камере молекулярно-лучевой эпитаксии была произведена серия образцов имеющих следующую структуру:

300 нм тонкий n-слой GaAs (001) с концентрацией носителей 5 · 1016 см-3 служит транспортным каналом спина. Низкая степень легирования спин транспортного слоя GaAs подбирается из ожидания оптимальной диффузионной длины свободного пробега спина;

30 нм слой GaAs (001) с концентрацией носителей 3 · 1018 см-3 служит в качестве контактного слоя для уменьшения ширины барьера Шоттки. Этот слой будет полностью удален между ферромагнитными контактами в процессе травления;

После нанесения этих слоев в полупроводниковой эпитаксиальной камере, образец был перемещен в другую камеру, где термически осаждался слой железа, действующий в качестве ферромагнитного инжектора спина. Перенос между отдельными попутными камерами роста производился в условиях вакуума, что позволило избежать загрязнения.

Данные RHEED, полученные в процессе осаждения, показывают несоответствие решетки между слоями железа и GaAs, вызывающие деформации вблизи границы раздела. На рисунке 5 показано изменение постоянной решетки железа по глубине слоя.

Горизонтальными линями отмечены постоянные решетки GaAs (2,8267 Е) и железа (2,8664 Е). Из данных видно, что при малых толщинах слоя железа его постоянная решетки соответствует подложке GaAs, из чего следует, что железные пленки испытывают деформацию сжатия. Так же можно наблюдать, что постоянная решетки осажденной пленки железа увеличивается в первых монослоях. Максимум 2,8433 Е, как показано на рис. 5 (б), достигается при номинальной толщине пленки 0,6 нм. Это значение постоянной решетки соответствует фазе Fe3GaAs. Такие фазы, как известно, растут эпитаксиально на GaAs (001) и имеют около половины магнитного момента железа. Так же плохо контролируемое легирование GaAs железом в результате диффузии приводит к образованию полупроводниковой полуизолирующей границы, которая существенно меняет профиль энергии электронов.

Рис. 5. (а) Зависимость постоянной решетки от толщины слоя железа по данным RHEED. (б) Увеличение диапазона, обозначенного пунктирной линией на левой графе.

Рис. 6. (а) HRXRD ω-2θ сканирование пяти образцов с толщиной слоя железа 20, 35, 50, 75 и 100 нм. Пик GaAs (004) расположен около 66 °. Пики ниже 65,5 ° соответствуют дифракционному пику железа (002). Дифракционные пики поликристаллов Fe2O3 (003) и Fe (002) показаны вертикальными линиями. (б) HRXRD снимки образца структуры GaAs/Fe, с толщиной слоя железа 4,7 нм. Стрелки указывают позиции дифракционных пиков.

Поскольку дифракция электронов в измерениях методом RHEED предоставляет информацию только о изменении постоянной решетки непосредственно на поверхности растущей пленки, для исследования деформированного состояния после осаждения был применен метод высокоразрешающей рентгеновской дифрактометрии (HRXRD). На рисунке 6 (а) изображены кривые качания ω-2θ. С увеличением толщины слоя железа, угловое положение дифракционного пика Fe (002) приближается к справочному значению. Постоянная решетки для тонких слоев указывает на их окисление в результате контакта с воздухом. Окисление верхнего слоя железа влияет на электрические и магнитные свойства ферромагнитного спинового инжектора. Для предотвращения окисления слоев железа в последующих образцах наносилась защитная пленка золота. Для образца с толщиной слоя железа 4,7 нм, была проведена съемка двумерной дифракционной картины (картирование обратного пространства. На рисунке 6 (б) представлена карта обратного пространства вблизи рефлекса (004) GaAs.

Ввиду малой толщины железной пленки дифракционный сигнал образует стержень в обратном пространстве. Горизонтальное положение стержня не отклоняется от положения сигнала подложки GaAs, что означает параллельное выравнивание их кристаллографических осей. Ширина стержня в горизонтальном направлении показывает высокое качество эпитаксиального слоя. Интегральная интенсивность пика железа говорит о высокой фракции кристаллов в эпитаксиальной пленке.

Для определения магнитных свойств слоя железа, проводились измерения эффекта Керра (MOKE) - линейного магнитооптического эффекта, заключающегося в том, что при отражении линейно поляризованного света от поверхности намагниченного материала наблюдается вращение плоскости поляризации света, а свет становится эллиптически поляризован [11]. Магнитные свойства ферромагнитных электродов были испытаны с помощью установки micro-MOKE [12]. Было установлено, что для толщин меньше 8 нм доминирует одноосная магнитная анизотропия, способствующая эффективной спиновой инжекции.

Так же проведены исследования спиновой инжекции через границу Fe/GaAs. Эксперименты проводились на нелокальной структуре, изготовленной из образца с толщиной слоя железа 4,7 нм, покрытого защитной пленкой золота толщиной 15 нм. Изготовление проводилось путем прохождения нескольких этапов жидкостного химического травления. Инжекторы спина и электроды обнаружения спина сделаны шириной 7 мкм и 5 мкм, соответственно. Расстояние между электродами составляло 2 мкм. Для улучшения атомной координации на границе произведен мягкий отжиг при температуре 200°С. Переключение намагниченности происходило при значении индукции около 15 мТл.

Рис. 7. Скачки напряжения под влиянием внешнего магнитного поля, соответствующие переключению состояний спин поляризованных электронов, в результате спиновой инжекции. Измерения проведены при температуре 4 К. Константа смещения вычтена из сигналов обнаружения.

Как показано на рисунке 7 спиновая инжекция производится между ферромагнитным электродом и опорным контактом и отслеживается напряжение между другим ферромагнитным электродом и контактом. Поскольку потенциал ферромагнитного контакта обнаружения спина соединен с электрохимическим потенциалом электронов со спином, поляризованным в направлении намагниченности электрода, во время изменения ориентации намагниченности можно обнаружить их разницу, соответствующую двум спиновым поляризациям. Сигнал, показанный красной кривой, регистрировался в положительном направлении поля с начальной величиной ниже -30 мТл, а показанный черной кривой - наоборот, в противоположном направлении поля. Сигнал спинового клапана возникает всякий раз, когда относительная ориентация намагниченности в электродах инжекции и детектирования переключаются. Как показано стрелками над красной кривой, параллельная намагниченность электродов, помещенных в отрицательном поле, сохраняется до 17 мТл, после чего они принимают антипараллельную ориентацию. Эффективность инжекции спин-поляризованных электронов рассчитывается по формуле:

 (1)

где j↑ и j↓ - инжектированные в полупроводник спиновые токи «вверх» и «вниз», соответственно. При измерении значения эффективности инжекции спин-поляризованных электронов для структур GaAs/Fe составляют лишь 0,8%, а длина диффузионного пробега спина равна 6 мкм.

.3 Применение оксида магния

Спин электрона дает степень свободы, использование которой может быть реализовано учеными и инженерами в новых устройствах. Применение данных эффектов при изготовлении элементов электронных микросхем в рамках широко распространенных в настоящее время технологических процессов затруднительно по той причине, что инжектированные из ферромагнетика в полупроводник электроны не сохраняют свою ориентацию спинов. Основная физическая причина этого заключается в огромной разнице в проводимости ферромагнитных металлов и полупроводников. Проведенные различными исследователями электрические измерения параметров структур GaAs/Fe показывают, что значения коэффициента инжекции не превышает 1%, а длина диффузионного пробега спина составляет около 5 мкм [5-7]. Тонкий туннельный барьер, отделяющий полупроводник от металла может способствовать инжекции спин-поляризованного тока, поскольку во время туннелирования электрона через барьер ориентация спинов не меняется, в то время как снимается несоответствие проводимости между ферромагнитным инжектором и полупроводниковой подложкой [3, 4].

Характеристики туннельного барьера должны быть выбраны таким образом, чтобы общее сопротивление было не слишком велико (это условие не позволяет делать толстые барьеры), структура должна быть достаточно однородной, без отверстий (это исключает тонкие барьеры), и барьер должен быть более-менее проницаемым для большинства электронов, что связано с конкретной зонной структурой всех рассматриваемых материалов, т.е. ферромагнитного металла, полупроводника, и диэлектрика. Также очень важна кристаллическая структура контактирующих материалов, поскольку вероятность туннелирования сильно зависит от ориентации осей кристалла по отношению к плоскости структуры. В реальных структурах нужно учитывать и наличие дефектов, которые неизбежно влияют на электронные и магнитные свойства вблизи и внутри барьера. По имеющимся литературным данным, наиболее перспективным материалом для повышения эффективности спиновой инжекции является MgO [3, 4, 7, 13].