Отжиг структур MgO/GaAs может приводить к реакции на границе раздела в результате диффузии избыточного магния и кислорода из межзеренных границ в поликристаллическом слое MgO. Связь образования GaOх сильнее, чем у GaAs, и предложительно образуется MgхАsу. Реакции на границе раздела и формирование этих соединений может влиять на форму потенциального барьера и может снизить его высоту. В отличие от образцов с пленками MgO толщиной 4 нм и 6 нм, полученные данные для 2 нм на рисунках 32 (в) и 32 (г) показывают значительное увеличение сопротивления при низких температурах. Это может указывать не только на формирование соединений GaOх и MgхАsу, но также взаимодиффузию и перемешивание атомов железа на границе раздела. Так же атомы железа могли диффундировать через барьерный слой в GaAs и образовать фазы с высоким сопротивлением. Таким образом, отжиг и связанная с ним перестройка поликристаллического слоя MgO может вызвать нарушение границ раздела GaAs/MgO.
Исходя из полученных данных была получена структура с толщинами слоя MgO 5 нм, Fe 6 нм и Au 10 нм, на которой проводились электрические измерения при 9 K в двух- и трехточечной геометрии, её схема представлена на рисунке 33. Использование законов Кирхгофа позволяет найти электрический ток из разности напряжения V2-V3, который является основой вольтамперной характеристики туннельного перехода.
При сравнении экспериментальных результатов с результатами моделирования, полученных группой в Жешуве, определены характеристики барьера: высота барьера U0=5.2 эВ, ширина барьера Lb=1.1 нм, и положение края зоны проводимости εc0=0.76 эВ. Эффективность спиновой инжекции составляет 2%.
Эффективность можно увеличить путем уменьшения
толщины, наиболее близкой по электрическим параметрам к смоделированной
структуре, являются образцы с барьерным слоем оксида магния толщиной2 нм.
Рис. 33. Схематическое изображение экспериментальной гетероструктуры GaAs/MgO/Fe для двух- и трехточечных методов измерений.
Рис. 34. Вольтамперные характеристики образца с
толщиной слоя MgO 5 нм при T=9 K.
Для получения статистических данных о структуре образца с толщиной барьерного слоя 2 нм проведена рентгеновская рефлектометрия по результатам которой так же рассчитано распределение диэлектрической проницаемости по толщине (рис. 35). Как можно видеть слои MgO и Fe куда более качественные чем у образца с предыдущей серии, граница раздела GaAs/MgO более резкая, но слой MgO имеет увеличенную плотность.
Рис. 35. Распределение действительной части
диэлектрической проницаемости по глубине, восстановленное из данных
рентгеновской рефлектометрии образца с толщиной слоя MgO 2 нм. Пунктирными
линиями указаны значения для GaAs и MgO. На вставке изображение наноструктуры,
полученное на просвечивающем электронном микроскопе.
Области постоянной плотности, соответствующие материалам слоев, совпадают по глубине с данными просвечивающей электронной микроскопии. Следовательно, структура слоев оксида магния, наблюдаемая в электронном сохраняется в латеральном направлении на расстояниях порядка 1 см, соответствующих области засветки рентгеновским пучком при измерении кривой отражения. Таким образом, для создания прототипов транзисторов со спиновой инжекцией, по совокупности структурных и электрических характеристик, наиболее подходящими являются структуры с толщиной слоя оксида 2 нм, не подвергнутого отжигу.
5. Заключение
Проведена комплексная диагностика наноструктур на основе оксида магния, технологию получения которых планируется применять для изготовления прототипов спинтронных транзисторов. В работе представлены результаты рентгеновских исследований, а также их подтверждения методами атомно-силовой микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и электрическими измерениями.
Установлено, что нанослои оксида магния при атмосферном воздействии более месяца деградируют до полного распада, продемонстрирована эффективность применения защитных металлических покрытий для обеспечения стабильности характеристик слоев оксида магния.
Для образцов наноструктур с толщинами слоев оксида магния 2 и 2,5 нм произведено сопоставление результатов рентгеновской рефлектометрии и просвечивающей электронной микроскопии, получено хорошее согласование.
Представлены результаты исследований влияния отжига, как на структуру образцов, так и на электрические характеристики, выявлено улучшение кристаллических свойств но ухудшение электрических, предположительно вследствие возникновения новых фаз на границах раздела.
Результаты исследований рентгеновскими методами использованы для оптимизации технологии получения наноструктурированных туннельных барьеров МgO. Для слоев толщиной 5 нм обнаружено увеличение эффективности инжекции спин-поляризованных электронов из металла в полупроводник в 2 раза, нежели без использования слоя MgO.
Некоторые полученные результаты могут служить основой для дальнейших исследований спиновой инжекции.
Часть результатов работы доложены на Ежегодной научно-технической конференции им. Е.В. Арменского в 2015 году.
. Список литературы
[2] А.В. Огнев, А.С. Самардак. Спинтроника: физические принципы, устройства, перспективы // Вестник ДВО РАН. - 2006. - № 4. - C.70 - 80.
[3] X. Jiang, R. Wang, R. M. Shelby et al. Highly Spin-Polarized Room-Temperature Tunnel Injectorfor Semiconductor Spintronics using MgO(100) // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol. 94, N 5. - P. 056601-1 - 056601-4.
[4] Y. J. Park, M. C. Hickey, M. J. Van Veenhuizen et al. Efficient spin transfer phenomena in Fe/MgO/GaAs structure // J. Phys.: Condens. Matter - 2011. - Vol. 23, N 11. - P. 116002-1 - 116002-5.
[5] G. Schmidt, D. Ferrand, L. W. Molenkamp, A. T. Filip, and B. J. van Wees, Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, N 8. - P. R4790 - R4793.
[6] E.I. Rashba. Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, N 24. - P. R16267 - R16270.
[7] ERA.Net RUS SpinBarrier project web page. http://iap.physnet.uni-hamburg.de/group_w/?n=SpinBarrier.HomePage
[8] С.А. Никитин. Гигантское магнитосопротивление // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - № 2. - C. 92 - 98.
[9] А.В. Кудинов. Спинтроника и спиновая физика. Презентация. http://rpp.nashaucheba.ru/docs/index-84507.html
[10] B. Landgraf. Structural, magnetic and electrical investigation of Iron-based III/V-semiconductor hybrid structures: Dipl.-Phys. Thesis - Hamburg University, 2014 - 146 p.
[11] А.К. Звездин, В.А. Котов, Магнитооптика тонких плёнок. - М.: Наука, 1988. - 192 с.
[12] K.C. Kim, Y.G. Yoo, W.S. Cheong et al. // Phys. Stat. Sol. (a). - 2004. - Vol. 201, N 8. - P. 1871 - 1874.
[13] S. Wolski, T. Szczepanski, V. K. Dugaev et al. Spin and charge transport in double-junction Fe/MgO/GaAs/MgO/Fe heterostructures // J. Appl. Phys. - 2015. - Vol. 117, N 4. - P. 043908-1 - 043908-7.
[14] А.В. Виноградов, И.В. Кожевников. Отражение и рассеяние рентгеновского излучения от шероховатых поверхностей // Труды ФИАН. - 1989. - Т. 196. - С. 18 - 46.
[15] Б.С. Рощин. Строение поверхностей аморфных и монокристаллических материалов, отличающихся по типу химической связи, и нанесённых на них многослойных покрытий по данным рентгеновской рефлектометрии: Дис. канд. физ.-мат. наук. - Москва: ИК РАН, 2009. - 136 с.
[16] В.Е. Асадчиков, И.В. Кожевников, Ю.С. Кривоносов. Рентгеновские исследования поверхностных шероховатостей // Кристаллография. - 2003. - Т. 48, № 5. - С. 909 - 924.
[17] А.В. Виноградов, И.А. Брытов, А.Я. Грудский и др. // Зеркальная рентгеновская оптика. - Л.: Машиностроение, 1989. - 463 с.
[18] И.И. Самойленко. Интерпретация данных рентгеновской и нейтронной рефлетометрии тонких пленок с применением глобальной минимизации: Дис. канд. физ.-мат. наук. - Москва: ИК РАН, 1999. - 144 c.
[19] I.V. Kozhevnikov. Physical analysis of the inverse problem of X-ray reflectometry // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2003. - Vol. 508. - P. 519-541.
[20] В.Е. Асадчиков, И.В. Кожевников, Б.С. Рощин и др. // Мир измерений. - 2012. - № 7. - C. 22 - 28.
[21] ООО ИТЦ «Радикон». Научные приборы. http://radicon.spb.ru
[22] Ю.С. Кривоносов. Определение шероховатости подложек и тонких пленок по рассеянию рентгеновских лучей в условиях внешнего отражения: Дис. канд. физ.-мат. наук. - Москва: ИК РАН, 2003. - 126 с.
[23] Среда разработки LabVIEW. http://www.labview.ru
[24] Python programming language. https://www.python.org
[25] В.Е. Асадчиков, В.Г. Бабак, А.В. Бузмаков и др. Рентгеновский дифрактометр с подвижной системой излучатель-детектор // Приборы и техника эксперимента. - 2005. - № 2. - С. 1 - 9.
[26] Tango open-source community collaborating. http://www.tango-controls.org
[27] W.F. Brinkman, R.C. Dynes, J.M. Rowell. Tunneling Conductance of Asymmetrical Barriers // J. Appl. Phys. - 1970. - Vol. 41. - P. 1915-1921.