МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ СПИНОВЫЙ СВЕТОДИОД Российский патент 2021 года по МПК H01L33/02 H01L33/30 

Настоящее изобретение относится к полупроводниковым приборам, касается магниторезистивного спинового светодиода, в котором с помощью магнитного поля можно независимо управлять интенсивностью излучения и степенью циркулярной поляризации.

Магниторезистивный элемент - прибор, работающий на основе явления спин-зависимого транспорта. Он состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных тонким слоем немагнитного материала. В одном из слоев ферромагнетика магнитный момент "закреплён", другими словами, намагниченность данного слоя намного менее чувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Другой слой ферромагнетика является "свободным" - его намагниченность может быть изменена внешним магнитным полем относительно малой напряженности. Если эти слои намагничены антипараллельно, сопротивление электрическому току в подобной структуре будет высоким вследствие дополнительного вклада спин-зависимого рассеяния ориентированных по спину носителей при переносе в слой с противоположной намагниченностью. Если же намагнитить слои параллельно, сопротивление уменьшится, т.к. при параллельном намагничивании спинов носителей и «свободного» слоя вклад спин-зависимого рассеяния существенно снижается (M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert. Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1998); G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach. Phys. Rev. B, 39, 4828 (1998); P. Bruno, Phys. Rev. B, 49, 13231 (1994)). Таким образом, в подобном приборе возможно задание одного из двух устойчивых состояний, а именно - высокое и низкое сопротивление.

Спиновый светодиод - прибор, работа которого основана на инжекции спин-поляризованных носителей заряда. Принцип действия прибора заключается в электрической инжекции носителей с определённым значением спина, из намагниченного ферромагнитного инжектора в неферромагнитный полупроводник, в результате в последнем создаётся неравновесная спиновая поляризация носителей заряда. В данном приборе инжектированные спин-поляризованные носители рекомбинируют с испусканием циркулярно-поляризованного света. Параметром излучения является степень циркулярной поляризации (Р), которая меняется от -1 до 1 (причём «-1» соответствует излучению циркулярно-поляризованному по правому кругу, «+1» - по левому кругу, промежуточные значения -1<P<1 соответствуют излучению, содержащему обе компоненты циркулярной поляризации) (G. Schmidt, J. Phys. D: Appl. Phys., 38, R107 (2005); M. Holub, P. Bhattacharya, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, R179 (2007); J. Zarpellon, H. Jaffres, J. Frougier, C. Deranlot, J. M. George, D.H. Mosca, A. Lemaıtre, F. Freimuth, Q.H. Duong, P. Renucci, X. Marie, Phys. Rev. B, 86, 205314 (2012)). Таким образом, в подобном приборе также возможно задание одного из двух устойчивых состояний, а именно - правая и левая циркулярная поляризация излучения.

Принцип переключения как магниторезистивного элемента, так и спинового светодиода применяется в системах кодирования информации, при котором информация представляется в виде двоичного кода - «логического нуля» и «логической единицы». Как правило, логическому нулю соответствует низкий уровень сигнала, логической единице - высокий. В качестве сигнала в микроэлектронике используется напряжение на элементе (Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1987. - 209 с.), в оптоэлектронике - интенсивность оптического излучения (Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир, 1976. - 431 с.). В магниторезистивном элементе сигналом является напряжение на элементе, в спиновом светодиоде - степень циркулярной поляризации оптического излучения.

На сегодняшний день вопросы физики и технологии как магниторезистивных элементов, так и спиновых светодиодов рассматриваются, в основном, по отдельности. Так, среди спиновых светодиодов можно выделить приборы (например, заявка US 5874749 A, патенты KR 100527340 B1, RU 162411 U1), в которых возбуждение циркулярно-поляризованного излучения возникает за счёт инжектирования спин-поляризованных носителей заряда из ферромагнитного слоя.

Недостатками указанных приборов является невозможность управления интенсивностью электролюминесценции за счёт приложения внешнего магнитного поля, а также нахождение прибора только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.

Среди магниторезистивных элементов можно выделить приборы (например, заявки US20060091991A1, US20140332766A1, патент US6210810B1), в которых под воздействием магнитного поля изменяется сопротивление системы, поэтому такие приборы могут быть интегрированы в различные системы, включая, помимо прочего, системы обнаружения магнитного поля и устройства отображения.

Недостатком приведённых технических решений является отсутствие принципиальной возможности получения оптического излучения.

Технологическое объединение магниторезистивного элемента (спинового клапана) и светодиода за счёт создания интегральной схемы низкой степени интеграции представлено в ряде патентов. Например, прибор (заявка US 20090250712 A1), в котором магнитный материал встроен в структуру светоизлучающего устройства. В таком устройстве, при приложении магнитного поля к светоизлучающему устройству можно повысить эффективность излучения света и увеличить яркость светоизлучающего устройства.

Можно отметить прибор (патент TW I412156 B), в котором магнитный материал встраивается в светоизлучающее устройство для изменения пути протекания и распределения плотности тока, в результате чего эффективность излучения света может быть увеличена, а распределение плотности тока остается однородным. Также, можно отметить прибор (патент US 10636940 B2), в котором встроенный магнитный слой может обеспечить улучшенную эффективность светоизлучающего устройства за счет применения магнитного поля для удержания электронов и дырок в активном слое с использованием силы, создаваемой магнитным полем, что увеличивает вероятность рекомбинации электрон-дырочных пар.

Недостатком указанных способов является невозможность получения циркулярно-поляризованного излучения, вследствие чего запатентованные приборы могут находиться только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство спин-поляризованных светоизлучающих диодов на основе органических биполярных спиновых клапанов, защищенное патентом US 9799842 B2, кл. H01L51/50, H01L51/52, H01L51/56, H01L51/00, опубл. 24.10.2017 г., принятое за ближайший аналог (прототип).

Устройство по прототипу является комбинацией органического светодиода и органического спинового клапана с ферромагнитными электродами. При использовании такого прибора без ферромагнитных электродов коэффициент бимолекулярный рекомбинации b (прямо пропорциональный интенсивности электролюминесценции) не зависит от магнитного поля, а доля тока, возникающая из-за комбинации электронов и дырок, обратно пропорциональна b. При использовании ферромагнитных электродов, происходит инжекция спин-поляризованных носителей, и коэффициент b становится зависимым от магнитного поля. Поскольку в данном приборе при приложении внешнего магнитного поля изменяется взаимная намагниченность ферромагнитных электродов, соответственно изменяется и коэффициент b, в результате чего изменяется интенсивность электролюминесценции органического светодиода. Таким образом, в подобном приборе с помощью внешнего магнитного поля можно управлять интенсивностью излучения.

Недостатками указанного прибора являются низкая модуляция электролюминесценции (~1%), а также невозможность получения циркулярно-поляризованного излучения. Вследствие последнего, запатентованный прибор может находиться только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.

Задачей изобретения является создание магниторезистивного спинового светодиода, испускающего электролюминесцентное циркулярно-поляризованное излучение и имеющего четыре устойчивых состояния.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение информационной ёмкости полупроводниковых элементов, являющихся ячейками памяти в схемах хранения, передачи и обработки информации.

Это достигается тем, что магниторезистивный спиновый светодиод содержит спиновый светодиод и магниторезистивный элемент, последовательно расположенные друг над другом, при этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, излучающий слой, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава In_xGa_1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22, и полупроводниковый спейсерный слой из арсенида галлия, над полупроводниковой частью спинового светодиода выполнен тонкий диэлектрический слой, и ферромагнитный контакт Шоттки, выполненный из ферромагнитного сплава CoPt или ферромагнитного сплава CoPd, спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем, и слоем немагнитного металла, выполненным над ферромагнитным контактом Шоттки, над слоем немагнитного металла выполнен магниторезистивный элемент, включающий буферный слой из хрома, нижний ферромагнитный слой, немагнитный слой из меди, верхний ферромагнитный слой, и защитный слой из галлида марганца Mn_xGa₅ (x=2-3), базовый электрод к подложке, причем диэлектрический слой, ферромагнитный контакт Шоттки и слой немагнитного металла выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм, а вокруг контакта сформирована область, изолированная от протекания электрического тока; в спиновом светодиоде буферный слой выполнен толщиной 0,1-3 мкм, излучающий слой толщиной 1-100 нм, диэлектрический слой спинового светодиода выполнен толщиной 0,5-2 нм; полупроводниковый спейсерный слой выполнен либо из нелегированного арсенида галлия, либо арсенида галлия, слабо легированного донорной примесью, либо арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, толщиной 5-200 нм; ферромагнитный контакт Шоттки выполнен толщиной 5-20 нм, причем ось лёгкого намагничивания в указанном слое должна лежать перпендикулярно плоскости слоя; диэлектрический слой, отделяющий спиновый светодиод от магниторезистивного элемента выполнен толщиной 0,5-3 нм; слой немагнитного металла выполнен толщиной 5-100 нм из меди или из золота; в магниторезистивном элементе буферный слой выполнен толщиной 3-5 нм, нижний ферромагнитный слой толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой толщиной 2-10 нм, верхний ферромагнитный слой толщиной 0,2-4 нм, защитный слой толщиной 2-10 нм; нижний ферромагнитный слой и верхний ферромагнитный слой выполнены из ферромагнитного сплава CoFe, ось лёгкого намагничивания в указанных слоях лежит в плоскости слоя; соотношение толщины верхнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента к толщине нижнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента составляет не менее 2.

На фиг. 1 схематически показано (а) - поперечное сечение и (б) - вид сверху предлагаемого магниторезистивного спинового светодиода.

На фиг. 2 представлена схема маски для формирования слоёв 5, 6 и 8 - диаметр контактов составляет 0,05-1 мм; расстояние между контактами составляет 0,2-2 мм.

На фиг. 3 представлена зависимость изменения электрического сопротивления от продольного магнитного поля для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода от продольного магнитного поля. Температура измерений - 10 K. Напряжение на светодиоде - 2 В.

На фиг. 4 представлены графики магнитополевых зависимостей намагниченности для ферромагнитного контакта Шоттки из CoPt для случая поперечного (график I) и продольного (график II) магнитного поля. Температура измерений - 300 K.

На фиг. 5 представлены графики магнитополевых зависимостей для:

(а) - изменения интенсивности излучения; (б) - степени циркулярной поляризации для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода;

графики III и V - для случая поперечного магнитного поля;

графики IV и VI - для случая продольного магнитного поля.

Температура измерений – 10 K. Напряжение, прикладываемое к светодиоду - 3 В, ток светодиода в нулевом магнитном поле - 50 мА.

На фиг. 6 представлено пояснение принципа функционирования магниторезистивного спинового светодиода. Зависимости степени циркулярной поляризации от поперечного магнитного поля (график V) и изменения интенсивности излучения от продольного магнитного поля (график IV) для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода. Четыре устойчивых состояния:

состояние VII - низкая интенсивность, правая циркулярная поляризация;

состояние VIII - высокая интенсивность, правая циркулярная поляризация;

состояние IX - низкая интенсивность, левая циркулярная поляризация;

состояние X - высокая интенсивность, левая циркулярная поляризация.

Температура измерений – 10 K.

На фиг. 7 представлена технологическая схема изготовления магниторезистивного спинового светодиода.

Конструктивно магниторезистивный спиновый светодиод на фиг. 1 содержит:

1 - полупроводниковую монокристаллическую подложку;

2 - полупроводниковый буферный слой светоизлучающей структуры;

3 - излучающий слой;

4 - полупроводниковый спейсерный слой;

5 - диэлектрический слой - диффузионный барьер для атомов ферромагнитного металла;

6 - ферромагнитный контакт Шоттки;

7 - диэлектрический слой - диффузионный барьер для атомов Cr;

8 - немагнитный промежуточный слой металла;

9 - буферный слой магниторезистивной структуры;

10 - нижний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента;

11 - немагнитный слой магниторезистивного элемента;

12 - верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента;

13 - защитный слой;

14 - базовый электрод;

15 - изолированная область;

16 - направление протекания тока в структуре;

17 - внешнее продольное магнитное поле для управления интенсивностью излучения;

18 - внешнее поперечное магнитное поле для управления поляризацией излучения;

19 - линии, по которым структура раскалывается на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды.

Магниторезистивный спиновый светодиод состоит из спинового светодиода и магниторезистивного элемента, последовательно расположенных друг над другом.

При этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку 1, выполненную из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, прозрачную для инфракрасного излучения данного светодиода, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой 2, выполненный из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, толщиной 0,1-3 мкм, излучающий циркулярно-поляризованный свет слой 3, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава In_xGa_1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22, толщиной 1-100 нм, полупроводниковый спейсерный слой 4, выполненный либо из нелегированного арсенида галлия, либо арсенида галлия слабо легированного донорной примесью, либо арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, с толщиной слоя 5-200 нм. Путём изменения содержания In x от 0,05 до 0,22 в слое 3 можно управлять длиной волны излучения. При увеличении количества In x больше 0,22 произойдёт релаксация упругих напряжений, что существенно ухудшит излучательные характеристики светодиода. Указанные диапазоны толщин полупроводниковых слоёв 2-4 обеспечивают оптимальные параметры спинового светодиода.

Также спиновый светодиод включает диэлектрический слой 5, выполненный над полупроводниковой частью из оксида алюминия, толщиной 0,5-2 нм, выполняющий роль диффузионного барьера для атомов ферромагнитного металла и необходимый для повышения спиновой инжекции, и ферромагнитный контакт Шоттки 6, который служит для инжекции спин-поляризованных носителей в излучающий слой 3. Указанный диапазон толщины диэлектрического слоя 5 обеспечивает оптимальные параметры инжекции спин-поляризованных носителей.

Спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем 7, выполненным из оксида алюминия, толщиной 0,5-3 нм, выполняющим роль диффузионного барьера для атомов Cr, и слоем немагнитного металла 8 толщиной 5-100 нм. Указанный диапазон толщины слоя 7 обеспечивает эффективный барьер для диффундирующих атомов Cr. Указанный диапазон толщины слоя 8 обеспечивает эффективное предотвращение обменного взаимодействия между слоями 6 и 10. Магниторезистивный элемент включает буферный слой 9, выполненный из хрома, толщиной 3-5 нм, который служит для закрепления намагниченности одного из слоёв и предотвращения диффузии атомов Co, нижний ферромагнитный слой 10, толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой 11, выполненный из меди толщиной 2-10 нм, разделяющий два ферромагнитных слоя магниторезистивного элемента, верхний ферромагнитный слой 12, выполненный толщиной 0,2-4 нм, защитный слой 13, выполненный из галлида марганца толщиной 2-10 нм, который служит для механической защиты и предотвращения окисления структуры. Указанные диапазоны толщин слоёв 9-12 являются оптимальными для работы магниторезистивного элемента. Указанный диапазон толщины слоя 13 обеспечивает эффективную защиту магниторезистивного спинового светодиода от механических повреждений и окисления.

Слои 5, 6 и 8 выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм. Указанный диапазон диаметра контакта является оптимальным для работы магниторезистивного спинового светодиода: отсутствия искажений магнитного поля, снижающих стабильность работы, с одной стороны, и отсутствие значительных токов утечки, снижающих эффективность электролюминесценции, с другой стороны.

В слоях 1-4 в области вокруг контакта выполнена изолированная область 15.

Ферромагнитный контакт Шоттки 6 может быть выполнен из ферромагнитного сплава CoPt, либо ферромагнитного сплава CoPd толщиной 5-20 нм, причем ось лёгкого намагничивания в указанном слое должна лежать перпендикулярно плоскости слоя. Указанный диапазон толщины ферромагнитного контакта Шоттки 6 обеспечивает оптимальные параметры инжекции спин-поляризованных носителей.

Слой 8 служит для предотвращения взаимодействия ферромагнитного контакта Шоттки 6 и нижнего ферромагнитного слоя 10. Слой 8 может быть выполнен из золота или из меди.

Слой 10 толщиной 0,1-2 нм и слой 12 толщиной 0,2-4 нм могут быть выполнены из ферромагнитного сплава CoFe, причём толщина слоёв должна быть различной для задания разной ширины коэрцитивного поля в указанных слоях. Ось лёгкого намагничивания в указанных слоях должна лежать в плоскости слоя.

Предлагаемый магниторезистивный спиновый светодиод в соответствии с технологической схемой, представленной на фиг. 7, изготавливают следующим образом.

На первом этапе выращивают полупроводниковую часть магниторезистивного спинового светодиода, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру. Для формирования используют метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и гидридов (МОС-гидридная эпитаксии - МОСГЭ). Структуры выращивают при атмосферном давлении в потоке водорода, температура выращивания составляет 500-650°C. Для формирования слоёв 2 и 4 из арсенида галлия используют триметилгаллий и арсин. Соотношение потока триметилгаллия к потоку арсина - 1,1-1,8. Для формирования излучающего циркулярно-поляризованный свет слоя 3, представляющего собой квантовую яму, выполненную из твёрдого раствора In_xGa_1-xAs, используют триметилгаллий, триметилиндий и арсин. Скорость роста слоёв составляет 1-10 А/сек. Для легирования слоёв 2 и 4 из арсенида галлия в процессе роста используют импульсное лазерное распыление мишеней непосредственно в реакторе (для создания арсенида галлия n-типа проводимости использую мишени кремния, для создания арсенида галлия p-типа проводимости используют мишени цинка). Мощность лазера, распыляющего мишени - 10⁵ Вт, длительность импульса - 10 нс, частота лазерных импульсов - 10 Гц, длина волны лазера - 1064 нм.

Далее структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме для нанесения на поверхность светоизлучающей гетероструктуры ферромагнитных контактов Шоттки, представляющих собой сплав CoPt, либо сплав CoPd, и немагнитной металлической прослойки для предотвращения обменного взаимодействия ферромагнитного контакта Шоттки 6 спинового светодиода и нижнего ферромагнитного слоя 10 магниторезистивного элемента. Рост производят при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр. Сначала на полупроводниковом спейсерном слое 4 выращивают диэлектрический слой 5 из Al₂O₃ при температуре 150-250°C для предотвращения диффузии атомов ферромагнитного металла и для повышения спиновой инжекции. Далее, при формировании слоя 6 из CoPt при температуре 200-400°C поочередно наносят слои Pt толщиной 0,2-1 нм и слои Co толщиной 0,1-0,8 нм, соотношение толщины слоя Pt к толщине слоя Co - 1,25-2,5, общая толщина пленки составляет 5-20 нм. При формировании слоя 6 из CoPd при температуре 150-400°C поочередно наносят слои Pd толщиной 0,2-1 нм и слои Co толщиной 0,1-0,8 нм, соотношение толщины слоя Pd к толщине слоя Co - 1,25-2,5, общая толщина пленки составляет 5-20 нм. Далее при температуре 50-100°C наносят слой 8 из немагнитного металла, например из меди Cu, или из золота Au, толщиной 5-100 нм. При формировании ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPt рост слоёв производят через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,05-1 мм, отстоящими друг от друга на 0,2-2 мм (фиг. 2). В результате формируют контакты диаметром 0,05-1 мм. При формировании ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPd после формирования слоёв 5 из Al₂O₃, 6 из CoPd и 8 из Cu или из Au наносят фоторезист, и производят фотолитографию по фотошаблону (фиг. 2). Затем слои 5, 6 и 8 в области вокруг участков, которые закрыты фоторезистом, стравливают, в результате формируют контакты диаметром 0,05-1 мм.

На следующем этапе, при изготовлении ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPt, контакты закрывают фоторезистом и производят фотолитографию по фотошаблону, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt (фиг. 2). При изготовлении ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPd дополнительная фотолитография не требуется. Затем с использованием ускорителя в области 15 производят имплантацию ионами He⁺⁺ с энергией 10-40 кэВ, доза - 10¹³-10¹⁴ см^-2. Далее, без удаления фоторезиста, методом электронно-лучевого испарения в вакууме наносят слой 7 из диэлектрика Al₂O₃. Рост производят при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр и температуре 150-250°C. Проведение имплантации для создания изолированной области 15 и нанесение слоя диэлектрика 7 необходимо для предотвращения растекания тока в полупроводниковой гетероструктуре, а также для создания диффузионного барьера для атомов хрома. После проведения имплантации и нанесения диэлектрика фоторезист удаляют.

На следующем этапе структуру переносят в камеру для электронно-лучевого испарения в вакууме для нанесения магниторезистивного элемента, который состоит из буферного слоя 9 из хрома, двух ферромагнитных слоёв 10 и 12 из сплава кобальта и железа, и немагнитного слоя 11 из меди. Давление остаточных газов в камере составляет 5*10^-6 Торр. Буферный слой хрома наносят при температуре 120-200°C, остальные слои магниторезистивного элемента наносятся при температуре 50-100°C. Для нанесения ферромагнитных слоёв магниторезистивного элемента из тигля распыляют сплав Co₉₀Fe₁₀. Нижний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 10 выполняют толщиной 0,1-2 нм, верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 12 выполняют толщиной 0,2-4 нм, причём соотношение толщины слоя 12 к толщине слоя 10 выполняют не менее 2. Для формирования немагнитного слоя 11 толщиной 2-10 нм, разделяющего два ферромагнитных слоя магниторезистивного элемента, из тигля распыляют медь. Далее структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где формируют защитный слой 13 из GaMn методом импульсного лазерного осаждения в вакууме для защиты от повреждений и предотвращения окисления. Рост производят при давлении остаточных газов 10^-5-10^-6 Торр и температуре 200-400°C. Защитный слой GaMn выполняют толщиной 1-3 нм. Состав слоя соответствует химической формуле Mn_xGa₅ (x=2-3).

Сформированную структуру раскалывают по линиям 19 (фиг. 2) на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды таким образом, чтобы на каждом из них был один контакт.

На последнем этапе к каждому магниторезистивному спиновому светодиоду формируют базовый электрод 14, выполненный в виде омического контакта к подложке из Sn или любого другого материала, обеспечивающего омические свойства.

Полученный магниторезистивный спиновый светодиод работает следующим образом.

На верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 12 подается прямое по отношению к базовому электроду 14 электрическое напряжение, в результате чего через магниторезистивный спиновый светодиод протекает электрический ток 16. При этом носители заряда протекают через слои 9-12 магниторезистивного элемента и слои 4-8 спинового светодиода, ограниченные изолированной областью 15, в излучающий слой 3, рекомбинируют с носителями противоположного знака из подложки 1 с испусканием неполяризованного излучения (фиг. 1). Вывод излучения производится через подложку 1 магниторезистивного спинового светодиода (фиг. 1).

При введении магниторезистивного спинового светодиода в продольное магнитное поле 17, направленное вдоль поверхности слоёв структуры, сопротивление магниторезистивного элемента и, соответственно, всего магниторезистивного спинового светодиода изменится, максимальная величина изменения сопротивления составляет 4,3 % при температуре 10 K (фиг. 3). Варьирование сопротивления магниторезистивного элемента изменит величину электрического тока через структуру, а следовательно, и интенсивность излучения, максимальная величина изменения интенсивности электролюминесценции составляет 25% (графиком IV на фиг. 5(а)). При этом, приложение продольного магнитного поля практически не влияет на намагниченность ферромагнитного контакта Шоттки 6 (график II на фиг. 4) и, соответственно, не влияет на степень циркулярной поляризации магниторезистивного спинового светодиода (график VI на фиг. 5 (б)).

При введении структуры во внешнее поперечное магнитное поле 18 (направленное перпендикулярно поверхности слоёв структуры) намагничивается до насыщения ферромагнитный контакт Шоттки 6 (график I на фиг. 4). В результате в режиме электролюминесценции осуществляется инжекция спин-поляризованных носителей заряда из ферромагнитного контакта Шоттки 6 в излучающий слой 3 и рекомбинация с испусканием циркулярно-поляризованного излучения, максимальная величина степени циркулярной поляризации составляет 1,3% (график V на фиг. 5 (б)).

Меняя направление магнитного поля на противоположное, можно, перемагнитить ферромагнитный контакт Шоттки 6 и изменить знак циркулярной поляризации. В результате этого, светодиод будет испускать преимущественно право- или лево-циркулярно поляризованное излучение. Значение степени циркулярной поляризации электролюминесценции рассчитывается в соответствии с соотношением:

P_ЭЛ = (I(σ⁺) - I(σ^-)) / (I(σ⁺) + I(σ^-)),

где P_ЭЛ - степень циркулярной поляризации, I(σ⁺) и I(σ^-) - интенсивности излучения, поляризованного по левому и правому кругу соответственно. При этом приложение поперечного магнитного поля не влияет на интенсивность излучения магниторезистивного спинового светодиода (график III на фиг. 5 (а)).

Интенсивность излучения может независимо управляться продольным магнитным полем, а степень циркулярной поляризации может независимо управляться поперечным магнитным полем. В итоге магниторезистивный спиновый светодиод имеет не два управляемых дискретных состояния, соответствующих логическому нулю и единице (высокая и низкая интенсивность или право- и лево-циркулярно поляризованное излучение), а четыре независимо варьируемых состояния (высокая интенсивность с право- и лево-циркулярно поляризованным излучением и низкая интенсивность с право- и лево-циркулярно поляризованным излучением), причём интенсивность излучения будет изменяться продольным магнитным полем, а знак поляризации - перпендикулярным магнитным полем (фиг. 6).

В отличие от ближайшего аналога, в котором возможно задание только двух устойчивых состояний - высокая и низкая интенсивность излучения, в магниторезистивном спиновом светодиоде возможно задание любого из четырёх устойчивых состояний - высокая интенсивность излучения с правой циркулярной поляризацией, высокая интенсивность излучения с левой циркулярной поляризацией, низкая интенсивность излучения с правой циркулярной поляризацией, низкая интенсивность излучения с левой циркулярной поляризацией. Также, в отличие от аналога, в котором изменение интенсивности электролюминесценции составляет ~1%, в магниторезистивном спиновом светодиоде изменение интенсивности электролюминесценции составляет ~25%.

Таким образом, использование магниторезистивного спинового светодиода позволяет в два раза увеличить информационную ёмкость.

Ниже представлены примеры конкретного осуществления изобретения.

Пример 1.

Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 650°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из n-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из n-GaAs толщиной 0,9 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы In_xGa_1-xAs (x=0,2) толщиной 10 нм, спейсерный слой 4 из i-GaAs толщиной 60 нм.

Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из Al₂O₃ толщиной 1 нм выращивают при температуре 150°C, слой 6 из CoPt толщиной 10 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pt толщиной 0,5 нм и слоёв Co толщиной 0,3 нм при температуре 200°C, слой 8 из Au толщиной 10 нм выращивают при температуре 100°C. Слои 5, 6 и 8 выращивают через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,5 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.

Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме, полученные контакты закрывают фоторезистом через фотошаблон, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt.

Производят имплантацию ионами He⁺⁺(энергия 30 кэВ, доза 10¹⁴ см^-2) для создания изолированной области 15.

Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр и температуре 150°C наносят слой 7 из Al₂O₃ толщиной 2 нм.

Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.

Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 3 нм выращивают при температуре 120°C; нижний ферромагнитный слой 10 из Co₉₀Fe₁₀ толщиной 1,5 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 3,7 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из Co₉₀Fe₁₀ толщиной 3 нм выращивают при температуре 100°C.

Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10^-6 Торр и температуре 250°C формируют защитный слой 13 из Ga₂Mn₅ толщиной 3 нм.

Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.

Пример 2.

Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 600°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из n-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из n-GaAs толщиной 1 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы In_xGa_1-xAs (x=0,15) толщиной 15 нм, спейсерный слой 4 из i-GaAs толщиной 40 нм.

Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из Al₂O₃ толщиной 1,5 нм выращивают при температуре 200°C, слой 6 из CoPt толщиной 20 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pt толщиной 0,5 нм и слоёв Co толщиной 0,2 нм при температуре 250°C, слой 8 из Au толщиной 20 нм выращивают при температуре 100°C. Слои 5, 6 и 8 выращивают через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,46 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.

Полученные контакты закрывают фоторезистом через фотошаблон, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt.

Производят имплантацию ионами He⁺⁺(энергия 40 кэВ, доза 10¹⁴ см^-2) для создания изолированной области 15.

Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр и температуре 200°C наносят слой 7 из Al₂O₃ толщиной 2,5 нм.

Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.

Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 5 нм выращивают при температуре 150°C; нижний ферромагнитный слой 10 из Co₉₀Fe₁₀ толщиной 1 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 4 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из Co₉₀Fe₁₀ толщиной 2 нм выращивают при температуре 80°C.

Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10^-6 Торр и температуре 200°C формируют защитный слой 13 из Ga₃Mn₅ толщиной 2 нм.

Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.

Пример 3.

Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 600°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из p-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из p-GaAs толщиной 0,8 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы In_xGa_1-xAs (x=0,22) толщиной 10 нм, спейсерный слой 4 из n-GaAs толщиной 90 нм.

Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из Al₂O₃ толщиной 1 нм выращивают при температуре 200°C, слой 6 из CoPd толщиной 20 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pd толщиной 0,4 нм и слоёв Co толщиной 0,2 нм при температуре 200°C, слой 8 из Au толщиной 10 нм выращивают при температуре 80°C. После формирования слоёв 5 из Al₂O₃, 6 из CoPd и 8 из Cu Au производят фотолитографию через фотошаблон. Затем слои 5, 6 и 8 в области вокруг участков, которые закрыты фоторезистом, стравливают, в результате формируют контакты диаметром 0,5 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.

Производят имплантацию ионами He⁺⁺ (энергия 40 кэВ, доза 8*10¹³ см^-2) для создания изолированной области 15.

Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр и температуре 200°C наносят слой 7 из Al₂O₃ толщиной 3 нм.

Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.

Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10^-6 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 4 нм выращивают при температуре 150°C; нижний ферромагнитный слой 10 из Co₉₀Fe₁₀ толщиной 2 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 5 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из Co₉₀Fe₁₀ толщиной 4 нм выращивают при температуре 100°C.

Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10^-6 Торр и температуре 300°C формируют защитный слой 13 из Ga₂Mn₅ толщиной 2 нм.

Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, касается магниторезистивного спинового светодиода, в котором с помощью магнитного поля можно независимо управлять интенсивностью излучения и степенью циркулярной поляризации. Магниторезистивный спиновый светодиод содержит спиновый светодиод и магниторезистивный элемент, последовательно расположенные друг над другом. При этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, излучающий слой, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава In_xGa_1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22, и полупроводниковый спейсерный слой из арсенида галлия. Над полупроводниковой частью спинового светодиода выполнен диэлектрический слой из оксида алюминия, и ферромагнитный контакт Шоттки, выполненный из ферромагнитного сплава CoPt или ферромагнитного сплава CoPd. Спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем из оксида алюминия, и слоем немагнитного металла, выполненным над ферромагнитным контактом Шоттки. Над слоем немагнитного металла выполнен магниторезистивный элемент, включающий буферный слой из хрома, нижний ферромагнитный слой, немагнитный слой из меди, верхний ферромагнитный слой, и защитный слой из галлида марганца Mn_xGa₅ (x=2-3), базовый электрод к подложке. Причем диэлектрический слой, ферромагнитный контакт Шоттки и слой немагнитного металла выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм, а вокруг контакта сформирована область, изолированная от протекания электрического тока. Изобретение обеспечивает повышение информационной ёмкости полупроводниковых элементов, являющихся ячейками памяти в схемах хранения, передачи и обработки информации. 10 з.п. ф-лы, 3 пр., 7 ил.

1. Магниторезистивный спиновый светодиод содержит спиновый светодиод и магниторезистивный элемент, последовательно расположенные друг над другом, при этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, излучающий слой, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава In_xGa_1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22, и полупроводниковый спейсерный слой из арсенида галлия, над полупроводниковой частью спинового светодиода выполнен диэлектрический слой из оксида алюминия, и ферромагнитный контакт Шоттки, выполненный из ферромагнитного сплава CoPt или ферромагнитного сплава CoPd, спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем из оксида алюминия, и слоем немагнитного металла, выполненным над ферромагнитным контактом Шоттки, над слоем немагнитного металла выполнен магниторезистивный элемент, включающий буферный слой из хрома, нижний ферромагнитный слой, немагнитный слой из меди, верхний ферромагнитный слой, и защитный слой из галлида марганца Mn_xGa₅ (x=2-3), базовый электрод к подложке, причем диэлектрический слой, ферромагнитный контакт Шоттки и слой немагнитного металла выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм, а вокруг контакта сформирована область, изолированная от протекания электрического тока.

2. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что в спиновом светодиоде буферный слой выполнен толщиной 0,1-3 мкм.

3. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что излучающий слой выполнен толщиной 1-100 нм из твёрдого раствора состава In_xGa_1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22.

4. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый спейсерный слой выполнен либо из нелегированного арсенида галлия, либо из арсенида галлия слабо легированного донорной примесью, либо из арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, толщиной 5-200 нм.

5. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический слой спинового светодиода формируют толщиной 0,5-2 нм.

6. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что ферромагнитный контакт Шоттки выполнен толщиной 5-20 нм, причем ферромагнитный контакт Шоттки формируют с перпендикулярной осью лёгкого намагничивания.

7. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический слой, отделяющий спиновый светодиод от магниторезистивного элемента, выполнен толщиной 0,5-3 нм.

8. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что слой немагнитного металла выполнен толщиной 5-100 нм из меди или из золота.

9. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что в магниторезистивном элементе буферный слой выполнен толщиной 3-5 нм, нижний ферромагнитный слой толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой толщиной 2-10 нм, верхний ферромагнитный слой толщиной 0,2-3 нм, защитный слой толщиной 2-10 нм.

10. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что нижний ферромагнитный слой и верхний ферромагнитный слой выполнен из ферромагнитного сплава CoFe, с продольной осью лёгкого намагничивания.

11. Магниторезистивный спиновый светодиод по п. 1, отличающийся тем, что соотношение толщины верхнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента к толщине нижнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента составляет не менее 2.