ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура

Классы МПК:C30B29/10 неорганические соединения или композиции
H01L21/02 изготовление или обработка полупроводниковых приборов или их частей
Автор(ы):, , , ,
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-11-25
публикация патента:

Изобретение относится к области материалов и элементов спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов спинтронных устройств, сочетающих источник и приемник поляризованных спинов носителей заряда в гетероструктуре: ферромагнитный полупроводник/немагнитный полупроводник. В устройствах спиновой электроники спин используется в качестве активного элемента для хранения, обработки и передачи информации при создании магнитоэлектронных элементов и приборов. Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура для спинтроники включает ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку легированного полупроводникового диоксида титана на полупроводниковой подложке, при этом пленка диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 18 ат.% по отношению к титану, имеет кристаллическую структуру рутила и удельное электрическое сопротивление в диапазоне 0.01 до 0.1 Ом·см или в диапазоне от 2 до 20 кОм·см и эпитаксиально выращена на монокристаллической подложке диоксида титана в той же кристаллической модификации так, что гетероструктура отвечает формуле TiO2:V/TiO2. Гетероструктура предназначена для работы при комнатной и выше температурах и включает бескластерный ферромагнитный полупроводник с высокой намагниченностью, парамагнитный полупроводник и совершенный интерфейс между однородными материалами. Уникальное сочетание родственных ферромагнитного и полупроводникового слоев гетероструктуры на основе оксида титана, обеспечивающее высокое качество интерфейса, делает такие гетероструктуры перспективным продуктом для широкого практического использования в приборах спиновой электроники. 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2425184

ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, патент № 2425184 ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, патент № 2425184

Изобретение относится к области материалов и элементов полупроводниковой спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов соответствующих спинтронных приборов. К настоящему времени в мире разработаны теоретические основы спиновой электроники и конкретные конструкции разнообразных спиновых магнитоэлектронных приборов, таких как спиновые полевые транзисторы, спиновые резонансные и светодиоды, спиновые вентили и т.д. Данное направление в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных для создания нового поколения приборов для хранения, передачи и обработки информации. Создание указанных материалов и спинтронных приборов на их основе позволит уверенно продвинуть границу СВЧ-электроники в терагерцевую область и организовать динамическую обработку сигналов с использованием квантовых единиц, что на много порядков повысит скорость передачи данных и уменьшит необходимые объемы носителей. Реализация возможностей спиновой электроники обеспечит качественный скачок в развитии электронной техники и приведет к созданию нового многомиллиардного рынка приборов и устройств электроники, информатики и оптоэлектронной техники.

Основным препятствием на пути создания спинтронных приборов в настоящее время является отсутствие полупроводниковых гетероструктур, включающих полупроводниковый ферромагнитный материал с необходимыми характеристиками для работы при комнатной и выше температурах для инжекторов поляризованных носителей заряда в сочетании со спин-прозрачным интерфейсом между инжектором и приемником поляризованных носителей с характеристиками, обеспечивающими эффективную инжекцию спинов из ферромагнитного материала в полупроводник.

Технической задачей изобретения является создание полупроводниковой гетероструктуры, включающей ферромагнитный при температурах выше комнатной полупроводник с высокой намагниченностью насыщения на основе диоксида титана, легированного ванадием, парамагнитный полупроводник и оптимизированный интерфейс между ними, а также способа ее получения.

Известна полупроводниковая, ферромагнитная при комнатной и выше температурах, гетероструктура, состоящая из ферромагнитной пленки Mn-Si, осаждаемой методом магнетронного распыления на подложке монокристаллического кремния (Патент CN 1885493 А от 27.12.2007, МПК H01L 21/203; С23С 14/35; С23С 14/58; H01L 21/324).

Известен также способ получения такой гетероструктуры на основе ферромагнитного полупроводника Si-Mn путем имплантации ионов марганца в кремниевые пластины (M.Bolduc et al., Phys. Rev. B, v.71, p.033302, 2005; А.Ф.Орлов и др. ЖЭТФ, т.136, с.703, 2009).

Недостатком указанных структур является крайне низкая намагниченность получаемого материала и во втором случае размытый интерфейс между ферромагнитным полупроводником и исходным кремнием.

Известна полупроводниковая ферромагнитная при температурах до 400 К структура, состоящая из слоя тройного соединения арсенида цинка и кремния, легированного марганцем, на подложке монокристаллического кремния (патент РФ RU 2305723 С1 от 17.01.2006, МПК С30В 29/10; H01L 21/02).

Недостатками указанного изобретения являются следующие: интерфейс между ферромагнитным полупроводником и подложкой является размытым, что недопустимо для спинтронной структуры, а ферромагнитный полупроводник в данной структуре имеет очень высокое удельное сопротивление, что ограничивает возможность его использования.

Известна также ферромагнитная полупроводниковая структура, включающая подложку из монокристаллического полупроводника с осажденной на нее пленкой легированного оксида титана в кристаллической модификации анатаза и промежуточный буферный слой из соединений щелочно-земельных элементов. Легирование оксида титана, выполняющего роль спинового инжектора, проводится одним из 3-d переходных элементов: Cr, Mn, Fe, Со, Ni либо оксидами указанных элементов. В качестве подложки, выполняющей роль спинового приемника, предлагаются монокристаллы полупроводников IV группы или полупроводниковых соединений типа AIIIBV (патент США 6885065 от 26.04.2005, H01L 29/72).

Данное изобретение принимается за прототип.

Предлагаемое изобретение отличается от известных следующими элементами:

- в качестве спинового инжектора предлагается использование эпитаксиальной пленки ферромагнитного полупроводникового легированного диоксида титана в модификации рутила; при этом легирование диоксида титана выполняется ванадием,

- в качестве спинового приемника предлагается подложка из монокристаллического полупроводникового диоксида титана, также в кристаллической модификации рутила.

Отличительные признаки обеспечивают необходимые электрические м магнитные характеристики указанных гетероструктур.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании ферромагнитной полупроводниковой гетероструктуры, состоящей из ферромагнитного при температурах выше комнатной бескластерного полупроводника с высокой намагниченностью насыщения, парамагнитного полупроводника и оптимизированного интерфейса между ними, и способа получения такой структуры.

Технический результат достигается тем, что ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура включает ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку легированного ванадием полупроводникового диоксида титана на полупроводниковой подложке, согласно изобретению пленка диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 18 ат.% по отношению к титану, имеет кристаллическую структуру рутила и удельное электрическое сопротивление в диапазоне 0.01 до 0.1 Ом·см или в диапазоне от 2 до 20 кОм·см и эпитаксиально выращена на монокристаллической подложке диоксида титана в той же кристаллической модификации так, что гетероструктура отвечает формуле TiO2:V/TiO 2.

Сущность изобретения заключается в следующем:

- заявленные составы легированного полупроводника на основе диоксида титана обеспечивают сохранение высокой намагниченности материала при температурах выше комнатной и его удельное электрическое сопротивление в широком диапазоне, а использование определенных состава и кристаллографической структуры материалов пленки и подложки обеспечивают спиновую прозрачность интерфейса между ферромагнитным и парамагнитным полупроводником.

Обоснование заявленных параметров гетероструктуры состоит в следующем:

- для получения пленок ферромагнитного полупроводника используется металлическая мишень состава Vx Ti 100-х, где 3ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, патент № 2425184 xферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, патент № 2425184 18 ат.%. Диапазон концентраций легирования обусловлен тем, что при содержании ванадия менее 3 ат.% наблюдаются низкие значения намагниченности насыщения, а при содержании ванадия более 18% не гарантируется однофазный состав материала;

- процесс высокочастотного магнетронного распыления мишени проводится в смеси кислорода с аргоном с соотношением компонентов в диапазоне 1/150-1/200 при давлении в камере 10-2 торр. При больших концентрациях кислорода в смеси получаемые пленки являются диэлектриком, а при меньших имеют металлическую проводимость;

- в качестве подложки используется полупроводниковый диоксид титана в кристаллографической модификации рутила.

Параметры получаемых пленок ферромагнитного полупроводника контролировались методом рентгеноструктурного анализа, локального рентгеноспектрального анализа (состав), методом фотоэлектрической спектроскопии (химическое состояние примеси ванадия), измерением удельного электросопротивления и измерением намагниченности методом вибрационной магнитометрии.

Заявленные характеристики ферромагнитной полупроводниковой гетероструктуры иллюстрируются следующими примерами.

Пример № 1.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti0.97 V 0.03 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода и аргона, равном 1/180, на подложку из полупроводникового диоксида титана в кристаллографической модификации рутила с ориентацией (001) при температуре 550°С. Скорость осаждения составляла 0.08 нм·с-1. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Энергия связи фотоэлектронов для пика V2p3/2 в этом и последующих примерах всегда превышала 515.2 эВ по сравнению со значением 513.1 эВ для металлического ванадия, что свидетельствует об окисленном состоянии примеси ванадия в пленке. Удельное электрическое сопротивление пленки составляло 1×10-2 Ом.см и намагниченность насыщения 1.2×10 -4 Гс·см3 (фиг.1, поз.1).

Пример № 2.

Осаждение пленок проводилось, как в примере 1, но скорость роста задавалась равной 0.04 нм·с-1 . Удельное электрическое сопротивление полученной пленки 7×10 3 Ом·см и намагниченность насыщения 1×10 -4 Гс·см3 (поз.2 на фиг.1).

Пример № 3.

Осаждение пленок проводилось, как в примере 1, но скорость роста задавалась равной 0.06 нм·с-1 . При неизменных других параметрах удельное электрическое сопротивление полученной пленки составляло 15 Ом·см и намагниченность насыщения 1.7×10-5 Гс·см3 (поз.3 на фиг.1).

Пример № 4.

Осаждение пленок проводилось, как в примере 2, но температура подложки составляла 650°С. Удельное электрическое сопротивление полученной пленки 3×103 Ом·см и намагниченность насыщения 4.1×10-4 Гс·см 3.

Зависимость намагниченности пленок от удельного электрического сопротивления представлена на фиг.2, который иллюстрирует возможность получения полупроводниковых пленок с высокой намагниченностью насыщения и высоким или низким удельным электросопротивлением. Подобная зависимость с двумя выделенными областями повышенной намагниченности ранее наблюдалась на пленках легированного оксида цинка (Phys. Rev. Lett., 2008) и согласуется с существующими теоретическими представлениями.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить следующий положительный эффект:

- возможность создания ферромагнитных полупроводниковых гетероструктур, включающих эпитаксиально выращенную пленку ферромагнитного полупроводника с высокой намагниченностью насыщения и необходимым удельным электросопротивлением на парамагнитной полупроводниковой подложке из материала, незначительно отличающегося по составу и не отличающегося по кристаллической структуре, что обеспечивает минимальный разрыв энергетических зон на интерфейсе и тем самым его спиновую прозрачность. Такие структуры могут эффективно использоваться в качестве согласованных инжектора и приемника поляризованных носителей заряда в приборах и устройствах спиновой электроники.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ферромагнитная полупроводниковая гетероструктура, включающая ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку легированного полупроводникового диоксида титана на полупроводниковой подложке, отличающаяся тем, что пленка диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 18% ат по отношению к титану, имеет кристаллическую структуру рутила и удельное электрическое сопротивление в диапазоне от 0,01 до 0,1 Ом·см, или в диапазоне от 2 до 20 кОм·см, и эпитаксиально выращена на монокристаллической подложке диоксида титана в той же кристаллической модификации так, что гетероструктура отвечает формуле TiO2:V/TiO2.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2425184

patent-2425184.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C30B29/10 неорганические соединения или композиции

Патенты РФ в классе C30B29/10:
способ создания на подложках монокристаллических пленок твердого раствора висмут-сурьма -  патент 2507317 (20.02.2014)
подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия -  патент 2489533 (10.08.2013)
способ получения эпитаксиальных пленок твердого раствора (sic)1-x(aln)x -  патент 2482229 (20.05.2013)
тигель для выращивания монокристаллического слитка карбида кремния с нитридом алюминия и гетероструктур на их основе -  патент 2425914 (10.08.2011)
способ получения трехмерного фотонного кристалла на основе пленки опала с кремнием -  патент 2421551 (20.06.2011)
способ получения оптической среды на основе наночастиц sio2 -  патент 2416681 (20.04.2011)
способ получения на подложке кальций-фосфатного покрытия -  патент 2372101 (10.11.2009)
подложка для выращивания эпитаксиальных слоев нитрида галлия -  патент 2369669 (10.10.2009)
способ получения композиционного материала на основе фотонных кристаллов из оксида кремния -  патент 2358895 (20.06.2009)
монокристалл гексагидрата сульфата цезия-никеля, способ его выращивания и применение в качестве фильтра ультрафиолетового излучения -  патент 2357020 (27.05.2009)

Класс H01L21/02 изготовление или обработка полупроводниковых приборов или их частей

Патенты РФ в классе H01L21/02:
способ изготовления микроэлектромеханических структур и устройство для его осуществления -  патент 2511282 (10.04.2014)
способ сборки трехмерного электронного модуля -  патент 2492549 (10.09.2013)
изготовление самостоятельных твердотельных слоев термической обработкой подложек с полимером -  патент 2472247 (10.01.2013)
невоспламеняющиеся композиции, содержащие фторированные соединения, и применение этих композиций -  патент 2469016 (10.12.2012)
способ изготовления тонких пленок на основе моносульфида самария -  патент 2459012 (20.08.2012)
повышение разборчивости речи с использованием нескольких микрофонов на нескольких устройствах -  патент 2456701 (20.07.2012)
способ пассивации и защиты граней резонатора полупроводниковых лазеров -  патент 2421856 (20.06.2011)
способ изготовления ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии -  патент 2407101 (20.12.2010)
способ изготовления детектора короткопробежных частиц -  патент 2378738 (10.01.2010)
инжекционный лазер, способ его изготовления и устройство для газофазной эпитаксии -  патент 2359381 (20.06.2009)


Наверх