DE102013209278B4 - Magnetizable semiconductors with permanent magnetization and their use - Google Patents

Magnetizable semiconductors with permanent magnetization and their use Download PDF

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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66984—Devices using spin polarized carriers

Abstract

Spintronik-Bauelement (20, 30), aufweisend – ein Trägermaterial (17), – eine an dem Trägermaterial (17) angeordnete isolierende Schicht (16), – einen in die isolierende Schicht (16) eingebrachten, von außen elektrisch kontaktierten Leitungspfad (170), sowie – mindestens einen physisch kontaktierend an der isolierenden Schicht (16) angeordneten Bereich (112) mit einem magnetisierbaren Halbleiter, umfassend mindestens eine Raumladungszone (140) in dem magnetisierbaren Halbleiter, wobei mindestens in dem Bereich der Raumladungszone substitutionell eingebaute magnetische Ionen und elektrisch aktive Störstellen (ST) vorliegen und sich dadurch an den elektrisch aktiven Störstellen gebundene magnetische Polaronen (BMP) im Bereich der Raumladungszone (140) stabil ausbilden, – einen an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten Top-Gate-Kontakt (G), wobei der Top-Gate-Kontakt (G) gegenüber dem Leitungspfad (170) angeordnet ist, – einen seitlich des Top-Gate-Kontakts (G) an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten Source-Kontakt (S), und – einen gegenüber dem Source-Kontakt (S) seitlich des Top-Gate-Kontakts (G) an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten Drain-Kontakt (D).Spintronic device (20, 30), comprising - a carrier material (17), - an insulating layer (16) arranged on the carrier material (17), - a conduction path (170) introduced into the insulating layer (16) and externally electrically contacted ), and - at least one physically contacting the insulating layer (16) arranged region (112) with a magnetizable semiconductor, comprising at least one space charge zone (140) in the magnetizable semiconductor, wherein at least in the region of the space charge region substitutionally built magnetic ions and electrically active impurities (ST) are present and thereby bound to the electrically active impurities bound magnetic polarons (BMP) in the space charge region (140) stably, - arranged on the magnetizable semiconductor top-gate contact (G), wherein the top Gate contact (G) opposite the conduction path (170) is arranged, - a side of the top-gate contact (G) at d em magnetizable semiconductor arranged source contact (S), and - a relation to the source contact (S) laterally of the top-gate contact (G) on the magnetizable semiconductor disposed drain contact (D).

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von magnetisierbaren Halbleitern und Oxiden. mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP). Das Material kann in Halbleiter-Spintronik-Bauelementen integriert werden.The invention relates to an arrangement of magnetizable semiconductors and oxides. with bound magnetic polarons (BMP). The material can be integrated into semiconductor spintronic devices.

Stand der TechnikState of the art

N-leitende Halbleiter bzw. Oxide besitzen frei bewegliche Elektronen und p-leitende Halbleiter bzw, Oxide besitzen frei bewegliche Löcher (fehlende Elektronen). Jedes Elektron trägt einen Elektronenspin S = 1/2 und das damit verknüpfte magnetische Moment des Elektrons beträgt μ = e·ħ(2·m·c).N-type semiconductors or oxides have freely moving electrons and p-type semiconductors or oxides have freely movable holes (missing electrons). Each electron carries an electron spin S = 1/2 and the associated magnetic moment of the electron is μ = e · ħ (2 · m · c).

Der Elektronenspin wird in der elektrostatischen Coulomb-Wechselwirkung und in der magnetischen Wechselwirkung aufgrund des Momentes μB sichtbar. So ist die elektrostatische Coulomb-Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen spinabhängig, da die Wellenfunktion eines Elektronenpaares bezüglich dem Koordinaten- und Spinwechsel antisymmetrisch ist. D. h., dass die Wahrscheinlichkeit zwei Elektronen mit parallelem Spin nah beieinander zu finden gering im Vergleich zur Wahrscheinlichkeit zwei Elektronen mit antiparallelem Spin nah beieinander zu finden, ist.The electron spin becomes visible in the electrostatic Coulomb interaction and in the magnetic interaction due to the moment μ B. Thus, the electrostatic Coulomb interaction between two electrons is spin-dependent, since the wave function of an electron pair is antisymmetric with respect to the coordinate and spin exchange. That is, the probability of finding two parallel spin electrons close together is small compared to the probability of finding two electrons with antiparallel spin close together.

Elektronen mit parallelem Spin sind räumlich voneinander getrennt. Ihre elektrostatische Abstoßung ist gering und die elektrostatische Wechselwirkungsenergie ist für Elektronen mit parallelem Spin gering. Diese Austausch-Wechselwirkung ist für den Ferromagnetismus verantwortlich. Austausch-Wechselwirkung ist in magnetisierbaren Halbleitern und Oxiden und an Grenzflächen zwischen Halbleitern und Ferromagneten von Bedeutung.Electrons with parallel spin are spatially separated. Their electrostatic repulsion is low and the electrostatic interaction energy is low for parallel spin electrons. This exchange interaction is responsible for the ferromagnetism. Exchange interaction is important in magnetizable semiconductors and oxides and at interfaces between semiconductors and ferromagnets.

Elektronen auf der Außenschale von Atomen nähern sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit dem unabgeschirmten Atomkern und sehen dort ein starkes elektrisches Feld E →. Haben die Elektronen eine Geschwindigkeit ν →, dann wirkt auf sie, speziell auf das magnetische Moment der Elektronen, das Magnetfeld B → = E → × ν →/2. Electrons on the outer shell of atoms approach with certain probability the unshielded nucleus and see there a strong electric field E →. If the electrons have a velocity ν →, then the magnetic field B → = E → × ν → / 2 acts on them, especially on the magnetic moment of the electrons.

Die Energie des magnetischen Momentes der Elektronen μB in dem Magnetfeld beträgt μB = μ·B. In Halbleitern und Oxiden hängt die Spin-Bahn-Wechselwirkung nicht nur von der Elektronengeschwindigkeit, sondern auch von den Blochfunktionen auf der atomaren Skale ab, welche anisotrop sein können. Die Spin-Bahn-Wechselwirkung bestimmt den Elektronen g-Faktor. Beispielsweis besitzt das wurtzitische ZnO anisotrope Blochfunktionen und der g-Faktor ist in ZnCoO anisotrop [N. Jedrecy, H. J. von Bardeleben, Y. Zheng, and J-L. Cantin, Phys. Rev. B 69, 041308(R) (2004)].The energy of the magnetic moment of the electrons μ B in the magnetic field is μ B = μ · B. In semiconductors and oxides, the spin-orbit interaction depends not only on electron velocity but also on the atomic scale Bloch functions, which may be anisotropic. The spin-orbit interaction determines the electron g-factor. For example, the wurtzitic ZnO has anisotropic Bloch functions and the g-factor is anisotropic in ZnCoO [N. Jedrecy, HJ of Bardeleben, Y. Zheng, and JL. Cantin, Phys. Rev. B 69, 041308 (R) (2004)].

Die Hyperfine-Wechselwirkung zwischen einem Elektronenspin S und einem Kernspin I ist stark für große Kernladungen. Wenn in einem Halbleiter oder Oxid Gitteratome nicht besetzt sind (Fehlstellen) oder durch Fremdatome besetzt sind, dann ist die Blochwellenfunktion der Elektronen und damit deren Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort der Fehlstellen oder Fremdatome geändert.The hyperfine interaction between an electron spin S and a nuclear spin I is strong for large nuclear charges. If in a semiconductor or oxide lattice atoms are not occupied (defects) or are occupied by foreign atoms, then the Blochwellenfunktion of the electrons and thus their probability of residence at the location of the defects or impurities is changed.

Beispielsweise ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen an Sauerstoff-Fehlstellen Vo oder an Al-Fremdatomen in wurtzitischem ZnO erhöht.For example, the residence probability of electrons at oxygen vacancies V o or at Al foreign atoms in wurtzitischen ZnO is increased.

Die Elektronen sind mit einer Bindungsenergie ED an die Fehlstellen/Fremdatome gebunden, beispielsweise in wurtzitischem ZnO mitThe electrons are bound to the defects / foreign atoms with a binding energy E D , for example in wurtzitischen ZnO with

ED = 55 meV an Al-Fremdatome. Die Konzentration der Fehlstellen und Fremdatome ist typischerweise kleiner als 1020cm–3. Störstellen beeinflussen die elektrischen und Transporteigenschaften von Halbleitern und Oxiden siginifkant. Der Charakter der Wellenfunktion der Elektronen in einem Halbleiter bzw. Oxid hängt von der Konzentration n der freien Elektronen ab. Unterhalb einer kritischen Elektronendichte nc sind die Wellenfunktionen lokalisiert und oberhalb von nc sind die Wellenfunktionen delokalisiert. nc beträgt in ZnO nc = 4,9·1019cm–3[Qingyu Xu, Lars Hartmann, Heidemarie Schmidt, Holger Hochmuth, Michael Lorenz, Rüdiger Schmidt, Grund, Chris Sturm, Daniel Seemann, und Marius Grundmann, AIP Conf. Proc. 893, pp. 1187–1188 (2006)].E D = 55 meV of Al foreign atoms. The concentration of defects and impurities is typically less than 10 20 cm -3 . Impurities siginifcantly affect the electrical and transport properties of semiconductors and oxides. The character of the wave function of the electrons in a semiconductor or oxide depends on the concentration n of the free electrons. Below a critical electron density n c the wave functions are localized and above n c the wave functions are delocalized. n c in ZnO is n c = 4.9 × 10 19 cm -3 [Qingyu Xu, Lars Hartmann, Heidemarie Schmidt, Holger Hochmuth, Michael Lorenz, Rüdiger Schmidt, Reason, Chris Sturm, Daniel Seemann, and Marius Grundmann, AIP Conf , Proc. 893, pp. 1187-1188 (2006)].

Wenn in einem Halbleiter bzw. Oxid Gitteratome durch isovalente Fremdatome substituiert werden und die Konzentration der isovalenten Gitteratome größer als 1020 cm–3 ist, bildet sich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Halbleiters bzw. Oxids und der isovalenten Fremdatome eine Mischverbindung mit geänderten elektrischen, magnetischen, optischen und Wärmeleiteigenschaften. Beispielsweise ist wurtzitischen ZnO diamagnetisch. Durch das Ersetzen von Zn-Atomen durch isovalente 3d-Übergangsatome, z. B. durch Co, wird paramagnetisches ZnCoO [Qingyu Xu, Shengqiang Zhou, Daniel Marko, Kay Potzger, Jürgen Fassbender, Mykola Vinnichenko, Manfred Helm, Holger Hochmuth, Michael Lorenz, Marius Grundmann, Heidemarie Schmidt, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 085001 (2009)] geschaffen.If in a semiconductor or oxide lattice atoms are substituted by isovalent foreign atoms and the concentration of the isovalent lattice atoms is greater than 1020 cm -3 , forms a mixed compound with changed electrical, magnetic, depending on the properties of the semiconductor or oxide and the isovalent foreign atoms , optical and thermal conduction properties. For example, wurtzitic ZnO is diamagnetic. By replacing Zn atoms with isovalent 3d transition atoms, e.g. Paramagnetic ZnCoO [Qingyu Xu, Shengqiang Zhou, Daniel Marko, Kay Potzger, Jürgen Fassbender, Mykola Vinnichenko, Manfred Helm, Holger Hochmuth, Michael Lorenz, Marius Grundmann, Heidemarie Schmidt, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 085001 (2009)].

Die Magnetotransporteigenschaften in magnetischen Halbleitern bzw, Oxiden mit 3d-Übergangsmetallen sind durch sd- und pd-Wechselwirkung bestimmt [Qingyu Xu, Lars Hartmann, Heidemarie Schmidt, Holger Hochmuth, Michael Lorenz, Daniel Seemann, Marius Grundmann, Phys. Rev. B 76, 134417 (2007)].The magnetotransport properties in magnetic semiconductors or oxides with 3d transition metals are determined by sd and pd interaction [Qingyu Xu, Lars Hartmann, Heidemarie Schmidt, Holger Hochmuth, Michael Lorenz, Daniel Seemann, Marius Grundmann, Phys. Rev. B 76, 134417 (2007)].

Die Spinpolarisation P gibt an, wie groß der Konzentrationsunterschied zwischen Spin-up (n↑) und Spin-down (n↓) bei polarisierten Ladungsträger ist P = (n↑ – n↓)/(n↑ + n↓).The spin polarization P indicates the difference in concentration between spin-up (n ↑) and spin-down (n ↓) for polarized charge carriers P = (n ↑ - n ↓) / (n ↑ + n ↓).

Die hauptsächlichen Unterschiede zwischen magnetischen Metallen und magnetischen Halbleitern mit substitutionell eingebauten magnetischen Ionen sind die geringe Konzentration freier Ladungsträger und die geringe Magnetisierung in magnetischen Halbleitern bzw. Oxiden. Der Vorteil geringer Konzentrationen freier Ladungsträger ist die elektrische Manipulierbarkeit und die Möglichkeit der Umverteilung freier Ladungsträger über die Bandlücke der Halbleiter bzw. Oxide hinweg. Der Vorteil der geringen Magnetisierung ist die reduzierte Energie, welche zur Ummagnetisierung und zur Manipulation der Magnetisierung benötigt wird. Beispielsweise beträgt die Stromdichte spinpolarisierter Ladungsträger zur Umkehrung der Magnetisierungsrichtung ~105Acm–2 in magnetischen Halbleitern bzw. Oxiden und ~107Acm–2 in magnetischen Metallen.The main differences between magnetic metals and magnetic semiconductors with substitutionally incorporated magnetic ions are the low concentration of free charge carriers and the low magnetization in magnetic semiconductors or oxides. The advantage of low concentrations of free charge carriers is the electrical manipulability and the possibility of redistributing free charge carriers across the band gap of the semiconductors or oxides. The advantage of the low magnetization is the reduced energy required for magnetization reversal and manipulation. For example, the current density of spin-polarized charge carriers for reversing the direction of magnetization is ~10 5 Acm -2 in magnetic semiconductors or oxides and ~ 10 7 Acm -2 in magnetic metals.

Der Nachteil der geringen Konzentration freier Ladungsträger ist die relativ geringe Austausch-Wechselwirkung zwischen den Spins der freien Ladungsträger und den magnetischen Momenten der magnetischen Ionen im magnetischen Halbleiter bzw. Oxid.The disadvantage of the low concentration of free charge carriers is the relatively low exchange interaction between the spins of the free charge carriers and the magnetic moments of the magnetic ions in the magnetic semiconductor or oxide.

Die Elektronenspin-Relaxationszeit in magnetischen Halbleitern und Oxiden ist einige Größenordnungen größer als das Elektronenmoment und die Energie-Ralaxationszeit. In einem elektrischen Feld können Elektronen über eine Entfernung von bis zu 100 μm driften ohne ihre Spinpolarisation zuverlieren.The electron spin relaxation time in magnetic semiconductors and oxides is several orders of magnitude greater than the electron moment and energy relaxation time. In an electric field, electrons can drift over a distance of up to 100 μm without losing their spin polarization.

Die US 2011/0 031 545 A1 beschreibt Spintransistoren, die auf einem Spin-Filter-Effekt basieren, sowie Speicher unter Verwendung von Spintransistoren. Die EP 1 396 867 A1 beschreibt Halbleiter, die bei Raumtemperatur ferromagnetisch sind, und deren Verwendung für Spintronik-Baulemente.The US 2011/0 031 545 A1 describes spin transistors based on a spin filter effect and memory using spin transistors. The EP 1 396 867 A1 describes semiconductors which are ferromagnetic at room temperature and their use for spintronics devices.

Die spin-basierte Halbleiterelektronik hat das Potential für Bauelemente mit hoher Geschwindigkeit, hoher Dichte, geringer Leistungsaufnahme und Nichtflüchtigkeit. Es wurde vorhergesagt, dass in GaAs ein dissipationsfreier Spinstrom fließen kann [S. Murakami, N. Nagaosa und S.-C. Zhang, Science 301, 1348 (2003)].The spin-based semiconductor electronics have the potential for high speed, high density, low power, and non-volatility devices. It has been predicted that a dissipation-free spin current can flow in GaAs [S. Murakami, N. Nagaosa and S.-C. Zhang, Science 301, 1348 (2003)].

Grundzüge des LösungswegesMain features of the solution

Die Aufgabe wird gelöst durch Verwendung eines magnetisierbaren Halbleiters mit mindestens einer Raumladungszone, wobei mindestens im Bereich der Raumladungszone substitutionell eingebaute magnetische Ionen und Donatoren vorliegen. Das Konzentrationsverhältnis der Donatoren zu den substitutionell eingebauten magnetischen Ionen I, Ia, Ib beträgt mindestens ungefähr 1:100. Die Konzentration der substitutionell eingebauten magnetischen Ionen, beispielsweise 3d-Übergangsmetallionen oder 4f-Seltene Erdionen, ist kleiner als 30 at.% und größer als 0,1 at.%.The object is achieved by using a magnetizable semiconductor having at least one space charge zone, wherein substitutionally installed magnetic ions and donors are present at least in the region of the space charge zone. The concentration ratio of the donors to the substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b is at least about 1: 100. The concentration of substitutionally incorporated magnetic ions, for example 3d transition metal ions or 4f rare earth ions, is less than 30 at.% And greater than 0.1 at.%.

Die Raumladungszone bildet sich in einem Bereich unterhalb eines außen an Teile des magnetisierbaren Halbleiters bzw. des magnetisierbaren Oxids angebrachten gleichrichtenden Kontaktes oder in einem Bereich mit inhomogenem Dotandenprofil innerhalb des magnetisierbaren Halbleiters oder des magnetisierbaren Oxids aus.The space charge zone is formed in a region below a rectifying contact mounted externally on parts of the magnetizable semiconductor or of the magnetisable oxide or in an area with inhomogeneous dopant profile within the magnetizable semiconductor or of the magnetisable oxide.

Die magnetischen Wechselwirkungskräfte (exchange coupling, Austauschwechselwirkung) zwischen einer elektrisch aktiven Störstelle und den substitutionell eingebauten magnetischen Ionen I, Ia, Ib hängen von dem Ladungszustand und der Spezies der Störstelle, von dem Abstand zwischen Störstelle und substitutionell eingebauten magnetischen Ionen I, Ia, Ib sowie von der Spezies der substitutionell eingebauten magnetischen Ionen ab.The exchange coupling forces between an electrically active impurity and the substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b depend on the charge state and the species of the impurity, on the distance between the impurity and the substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b and on the species of substitutionally incorporated magnetic ions.

Aufgrund der Austauschwechselwirkung bildet sich jeweils mit einem Donator im Zentrum ein gebundenes magnetisches Polaron (BMP) aus. Die magnetischen Momente μ, μa, μb der magnetischen Ionen I, Ia, Ib mit Elektronenspin S, Sa, Sb, welche substitutionell in das magnetisierbare Material eingebaut sind und mit demselben Donator (elektrisch aktive Störstelle ST, ST', ST'') in Austauschwechselwirkung stehen, sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Zahl der substitutionell eingebauten, magnetischen Ionen I, Ia, Ib, welche mit der gleichen elektrisch aktiven Störstelle ST, ST' ST'' Wechselwirken, beträgt N, Na, Nb. Das magnetische Gesamtmoment des BMP beträgt Nxμ, Naxμa, Nbxμb.Due to the exchange interaction, a bound magnetic polaron (BMP) forms in each case with a donor in the center. The magnetic moments μ, μ a , μ b of the magnetic ions I, I a , I b with electron spin S, S a , S b , which are substitutionally incorporated into the magnetizable material and with the same donor (electrically active impurity ST, ST ' In exchange interaction, are aligned parallel to each other. The number of substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b which interact with the same electrically active impurity ST, ST 'ST''is N, N a , N b . The total magnetic moment of the BMP is Nxμ, N a xμ a , N b xμ b .

Die momentane Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb ändert sich nicht, solange der Ladungszustand der elektrisch aktiven Störstelle ST, ST', ST'' im Zentrum der gebundenen magnetischen Polaronen BMP, BMPa, BMPb stabil ist.The instantaneous alignment of the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a, N b xμ b does not change as long as the charge state of the electrically active defect ST, ST ', ST''in the center of the bound magnetic polaron BMP, BMP a, BMP b stable is.

Die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb in Bereichen des magnetisierbaren Materials, welche gebundene magnetische Polaronen (BMP) an Störstellen ST, ST', ST'' mit instabilem Ladungszustand enthalten, ist zueinander instabil und nicht notwendigerweise parallel.The orientation of the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b in regions of the magnetizable material containing bound magnetic polarons (BMP) at impurities ST, ST ', ST "with unstable state of charge is unstable to one another and not necessarily parallel.

Die Raumladungszone(n) bilden sich unterhalb eines außen an Teile des magnetisierbaren Halbleiters bzw. des magnetisierbaren Oxids angebrachten gleichrichtenden Kontaktes oder in einem Bereich mit inhomogenem Dotandenprofil innerhalb des magnetisierbaren Halbleiters oder des magnetisierbaren Oxids aus.The space charge zone (s) form below an outer part of the magnetizable semiconductor or the magnetizable oxide attached rectifying contact or in an area with inhomogeneous Dotandenprofil within the magnetizable semiconductor or the magnetizable oxide.

Der Ladungszustand der Störstellen ST, ST' ST'' in Raumladungszonen ist stabil. Die momentane Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb ändert sich nicht, solange der Ladungszustand der elektrisch aktiven Störstelle ST, ST', ST'' im Zentrum der gebundenen magnetischen Polaronen BMP, BMPa, BMPb stabil ist. Dadurch ist die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb zueinander stabil aber nicht notwendigerweise parallel zueinander.The state of charge of the impurities ST, ST 'ST''in space charge zones is stable. The instantaneous alignment of the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a, N b xμ b does not change as long as the charge state of the electrically active defect ST, ST ', ST''is stable in the center of the bound magnetic polaron BMP, BmpA, BMPb. Thereby, the orientation of the magnetic moments total Nxμ, N a xμ a, N b b xμ each other stable but not necessarily parallel to each other.

Durch Anlegen von lokalen und/oder externen homogenen Magnetfeldern werden die magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb der gebundenen magnetischen Polaronen BMP, BMPa, BMPb entlang der Magnetfeldlinien parallel zueinander ausgerichtet.By applying local and / or external homogeneous magnetic fields, the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b of the bound magnetic polarons BMP, BMP a , BMP b along the magnetic field lines are aligned parallel to each other.

Zum Anlagen von lokalen Magnetfeldern sind stromleitende Pfade so an den magnetisierbaren Halbleiter bzw. an das magnetisierbare Oxid angebracht, dass alle Kontakte bzw. stromleitenden Pfade voneinander separiert sind.For the installation of local magnetic fields current-conducting paths are attached to the magnetizable semiconductor or to the magnetizable oxide, that all contacts or current-conducting paths are separated from each other.

Das Verfahren zur Herstellung der Anordnung umfasst folgende Schritte:

  • – Optionales Aufbringen stromleitender Pfade, die sich in einem elektrisch isolierenden Material befinden und von außen kontaktierbar sind, auf einem Substrat;
  • – Herstellung einer Schicht, die vollständig oder teilweise aus magnetisierbaren Oxiden bzw. Halbleitern besteht, mit homogenem Dotandenprofil mit optionaler Strukturierung auf dem Substrat durch Schichtwachstum mit optionaler anschließender Ionenimplantation;
  • – Herstellung weiterer Schichten gemäß vorhergehenden Schritt, wobei diese Schichten vollständig aus nicht magnetisierbaren Stoffen bestehen oder vollständig oder teilweise aus magnetisierbaren Oxiden bzw. Halbleitern bestehen,
  • – anschließende Herstellung des/der gleichrichtenden Kontakte mittels Photolithographie oder Elektronenstrahllithographie, wenn sich keine intrinsische Raumladungszone in der bisher hergestellten Anordnung ausbildet;
  • – optionale anschließende weitere Herstellung von gleich- oder nichtgleichrichtenden elektrischen Kontakten bzw. Kontaktierung der optionalen stromleitenden Pfade.
The method of manufacturing the assembly comprises the following steps:
  • - Optional application of electrically conductive paths, which are located in an electrically insulating material and can be contacted from the outside, on a substrate;
  • - Preparation of a layer which consists wholly or partly of magnetizable oxides or semiconductors, with a homogeneous dopant profile with optional structuring on the substrate by layer growth with optional subsequent ion implantation;
  • Production of further layers according to the preceding step, wherein these layers consist entirely of non-magnetisable substances or consist entirely or partly of magnetisable oxides or semiconductors,
  • - subsequent production of / the rectifying contacts by means of photolithography or electron beam lithography, if no intrinsic space charge zone is formed in the previously prepared arrangement;
  • - Optional subsequent further production of equal or non-rectifying electrical contacts or contacting the optional current-carrying paths.

Erzeugte Vorteile oder Verbesserungen gegenüber dem Stand der TechnikGenerated benefits or improvements over the prior art

Ein großer Vorteil ist die Ausbildung stabiler gebundener magnetischer Polaronen in magnetisierbaren Halbleitern und Oxiden, deren magnetische Gesamtmomente nach Anlegen eines lokalen und/oder externen homogenen Magnetfeldes bei niedrigen Temperaturen bis Raumtemperatur parallel zueinander ausgerichtet sind.A major advantage is the formation of stable bound magnetic polarons in magnetizable semiconductors and oxides, the total magnetic moments after application of a local and / or external homogeneous magnetic field at low temperatures to room temperature are aligned parallel to each other.

Das magnetische Gesamtmoment der gebundenen magnetischen Polaronen und die Transporteigenschaften von freien Ladungsträgern durch Bereiche in magnetisierbaren Halbleitern und Oxiden mit stabilen BMP kann mittels Magnetisierungsmessungen respektive Magnetotransportmessungen charakterisiert werden.The total magnetic moment of the bound magnetic polarons and the transport properties of free charge carriers through areas in magnetizable semiconductors and oxides with stable BMP can be characterized by magnetization measurements respectively magnetotransport measurements.

Die Informationsspeicherung und -verarbeitung mittels spinpolarisierter Ladungsträger kann in Spin-FETs mit einem oder mehreren integrierten stabilen BMP erfolgen.Information storage and processing by means of spin-polarized charge carriers can take place in spin FETs with one or more integrated stable BMPs.

Die Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger kann in Spin-Filtern mit einem oder mehreren integrierten stabilen BMP erfolgen.Generation of spin-polarized charge carriers can occur in spin filters with one or more integrated stable BMPs.

Die Erzeugung von polarisiertem Licht kann in Spin-LEDs mit einem oder mehreren integrierten BMP erfolgen.The generation of polarized light can be done in spin LEDs with one or more integrated BMPs.

Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung von benötigter Energie beim Verwenden von Halbleiter- und Oxid-basierten Spintronik-Bauelementen mit spinpolarisierten Ladungsträgern aufgrund der verringerten bzw. nullifizierten Erzeugung Joulescher Wärme beim Transport spinpolarisierter Ladungsträger.A further advantage is the saving of energy required when using semiconductor and oxide-based spintronic devices with spin-polarized carriers due to the reduced or nullified generation of Joule heat in the transport of spin-polarized charge carriers.

Ausführliche ZeichnungsbeschreibungDetailed drawing description

Die Anordnung wird mit Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind verdeckt liegende Anordnungsbestandteile mit gestrichelten Linien dargestellt.The arrangement will be described with drawings. In the drawings, hidden component parts are shown in dashed lines.

1 zeigt die Bildung und Ummagnetisierung gebundener magnetischer Polaronen BMP in der Raumladungszone 140 im Bereich 111 des magnetisierbaren Oxides bzw. Halbleiters auf einem Substrat/Trägermaterial 17 unter dem Top-Kontakt (Gate) G oder außerhalb des Top-Kontaktes (Gate) G und der Raumladungszone im Bereich 110 des magnetisierbaren Oxides bzw. Halbleiters. Im Bereich 111 (1a) befinden sich Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und gebundene magnetische Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb der BMP stabil und nicht notwendigerweise parallel zueinander ist. Im Bereich 112 (1b) befinden sich Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und gebundene magnetische Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb, beispielsweise nach Anlegen eines äußeren dc-Magnetfeldes Hdc stabil und parallel zueinander ist. 1 shows the formation and remagnetization of bound magnetic polarons BMP in the space charge zone 140 in the area 111 of the magnetizable oxide or semiconductor on a substrate / carrier material 17 below the top contact (gate) G or outside the top contact (gate) G and the space charge zone in the area 110 of the magnetizable oxide or semiconductor. In the area 111 ( 1a ) are stabilities ST, ST ', ST''with stable state of charge and bound magnetic polarons (BMP), the orientation of the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b of the BMP is stable and not necessarily parallel to each other. In the area 112 ( 1b ) are stasis ST, ST ', ST''with stable state of charge and bound magnetic polarons (BMP), the alignment of all magnetic total moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b , for example, after applying an external dc magnetic field Hdc is stable and parallel to each other.

2 zeigt die Ummagnetisierung gebundener magnetischer Polaronen vor (2a) und nach (2b) dem Anlegen eines dc-Magnetfeldes Hdc. Die gebundenen magnetischen Polaronen BMP im Bereich 111 des magnetisierbaren Oxides bzw. Halbleiters werden jeweils aus N magnetischen Ionen I mit den magnetischen Momenten μ und einer Störstelle ST, ST', ST'' im Zentrum gebildet, wobei das magnetische Gesamtmoment des BMP Nxμ beträgt. Die Ausrichtung des magnetischen Gesamtmomentes des BMP folgt schon bei geringen dc-Magnetfeldstärken der Richtung des von außen angelegten dc-Magnetfeldes Hdc (2b). Die Bereiche 100 enthalten Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und keine substitutionell eingebauten magnetischen Ionen I. In den Bereichen 100 werden keine BMP ausgebildet. 2 shows the magnetic reversal of bound magnetic polarons ( 2a ) and after ( 2 B ) applying a dc magnetic field Hdc. The bound magnetic polarons BMP in the range 111 of the magnetizable oxide and semiconductor, respectively, are formed of N magnetic ions I having the magnetic moments μ and an impurity ST, ST ', ST "in the center, the total magnetic moment of the BMP being Nxμ. The orientation of the total magnetic moment of the BMP follows the direction of the externally applied dc magnetic field Hdc even at low dc magnetic field strengths. 2 B ). The areas 100 contain impurities ST, ST ', ST''with stable state of charge and no substitutionally incorporated magnetic ions I. In the ranges 100 no BMP are trained.

Die in 2 gezeigte Anordnung wurde durch Herausschneiden eines Teiles aus vier Schichten der Sequenz 110, 99, 110 und 99 präpariert, auf einem Substrat/Träger 17 abgelegt und mit einem Top(Gate)-Kontakt G versehen. Nach Aufbringen des Top(Gate-)Kontaktes G ist der Ladungszustand der Störstellen ST, ST', ST'' in den vier Schichten stabil und die Sequenz wird mit 111, 100, 111, 100 (vgl. 2a) bezeichnet. Die magnetischen Ionen I und die BMP in beiden Schichten 111 der Sequenz 111, 100, 111 und 100 sind gleich.In the 2 The arrangement shown was obtained by cutting out a part of four layers of the sequence 110 . 99 . 110 and 99 prepared on a substrate / support 17 stored and provided with a top (gate) contact G. After application of the top (gate) contact G, the charge state of the impurity ST, ST ', ST "in the four layers is stable and the sequence is with 111 . 100 . 111 . 100 (see. 2a ) designated. The magnetic ions I and the BMP in both layers 111 the sequence 111 . 100 . 111 and 100 are equal.

3 zeigt die Ummagnetisierung unterschiedlich gebundener magnetischer Polaronen BMPa und BMPb nach dem Anlegen eines dc-Magnetfeldes Hdc1 (3a) und nach dem Anlegen eines dc-Magnetfeldes Hdc2 (3b), wobei der Betrag des dc-Magnetfeldes Hdc1 größer als der Betrag des dc-Magnetfeldes Hdc2 ist, |Hdc1| > |Hdc2|. Die gebundenen magnetischen Polaronen BMPa und BMPb werden jeweils aus Na und Nb magnetischen Ionen Ia und Ib mit den magnetischen Momenten μa und μb und einer Störstelle ST, ST', ST'' im Zentrum gebildet, wobei das magnetische Gesamtmoment des BMPa = Na·μa, und des BMPb = Nb·μb beträgt. 3 shows the magnetic reversal of differently bound magnetic polarons BMPa and BMPb after application of a dc magnetic field Hdc1 ( 3a ) and after the application of a dc magnetic field Hdc2 ( 3b ), wherein the magnitude of the dc magnetic field Hdc1 is greater than the magnitude of the dc magnetic field Hdc2, | Hdc1 | > | Hdc2 |. The bound magnetic polarons BMPa and BMPb are respectively formed of Na and Nb magnetic ions Ia and Ib with the magnetic moments μa and μb and an impurity ST, ST ', ST "in the center, the total magnetic moment of the BMPa = Na · μa , and BMPb = Nb · μb.

In 3 ist das magnetische Gesamtmoment des BMPa kleiner als das magnetische Gesamtmoment des BMPb und die Ausrichtung des magnetischen Gesamtmomentes des BMPa folgt schon bei geringeren dc-Magnetfeldstärken der Richtung des von außen angelegten dc-Magnetfeldes als die Ausrichtung des Gesamtmomentes des BMPb (3b). Die Bereiche 100 enthalten Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und keine substitutionell eingebauten magnetischen Ionen Ia und Ib. In den Bereichen 100 können sich keine BMP ausbilden.In 3 If the total moment of BMP is less than the total moment of BMPb and the orientation of the total moment of momentum of the BMPp follows the direction of the externally applied dc magnetic field even at lower dc magnetic field strengths than the orientation of the total momentum of the BMPb ( 3b ). The areas 100 contain impurities ST, ST ', ST''with a stable state of charge and no substitutionally incorporated magnetic ions Ia and Ib. In the fields of 100 can not train BMP.

Die in 3 gezeigte Anordnung wurde durch Herausschneiden eines Teiles aus vier Schichten der Sequenz 110, 99, 110 und 99 präpariert, auf einem Substrat/Träger 17 abgelegt und mit einem Top(Gate)-Kontakt G versehen. Nach Aufbringen des Top(Gate-)Kontaktes G ist der Ladungszustand der Störstelle ST, ST', ST'' in den vier Schichten stabil und die Sequenz wird mit 112, 100, 112, 100 (vgl. 3a) bezeichnet. Die magnetischen Ionen Ia und Ib und die gebundenen magnetischen Polaronen BMPa und BPb in beiden Schichten 112 der Sequenz 112, 100, 112 und 100 sind unterschiedlich.In the 3 The arrangement shown was obtained by cutting out a part of four layers of the sequence 110 . 99 . 110 and 99 prepared on a substrate / support 17 stored and provided with a top (gate) contact G. After application of the top (gate) contact G, the charge state of the impurity ST, ST ', ST "in the four layers is stable and the sequence is with 112 . 100 . 112 . 100 (see. 3a ) designated. The magnetic ions Ia and Ib and the bound magnetic polarons BMPa and BPb in both layers 112 the sequence 112 . 100 . 112 and 100 are different.

Die in 4 gezeigte Anordnung zeigt die lokal unterschiedliche Ummagnetisierung gebundener magnetischer Polaronen BMP vor (4a) und nach (4b) dem Anlegen lokaler dc-Magnetfelder Hdc. Die lokalen dc-Magnetfelder werden beim Stromfluß durch stromführende, von außen kontaktierbare Leitungspfade 170 erzeugt, wobei die Leitungspfade 170 in einer isolierenden Schicht 16 eingebettet sind.In the 4 The arrangement shown here represents the locally different magnetic reversal of bound magnetic polarons BMP ( 4a ) and after ( 4b ) applying local dc magnetic fields Hdc. The local DC magnetic fields are in current flow through current-carrying, externally contactable conductive paths 170 generated, with the conduction paths 170 in an insulating layer 16 are embedded.

Die Dichte der Magnetfeldlinien 171, im Weiteren als Feldlinien bezeichnet, korreliert mit der Stärke des lokalen Magnetfeldes und die Pfeile an den Feldlinien 171 zeigen die Richtung des lokalen Magnetfeldes an. Diese Richtung des lokalen Magnetfeldes kann durch Änderung der Stromrichtung in 170 umgekehrt werden.The density of the magnetic field lines 171 , hereafter referred to as field lines, correlates with the strength of the local magnetic field and the arrows on the field lines 171 indicate the direction of the local magnetic field. This direction of the local magnetic field can be changed by changing the current direction in 170 be reversed.

In den von den magnetischen Feldlinien 171 durchdrungenen Bereichen 111 des magnetisierbaren Oxides bzw. Halbleiters (4a) bilden sich gebundene magnetische Polaronen BMP aus, wobei die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente der magnetischen Polaronen BMP in Bereichen des magnetisierbaren Oxides bzw. Halbleiters 112 stabil und parallel zueinander ist (4b).In the of the magnetic field lines 171 penetrated areas 111 of the magnetizable oxide or semiconductor ( 4a ) form bound magnetic polarons BMP, the alignment of all magnetic total moments of the magnetic polarons BMP in areas of the magnetizable oxide or semiconductor 112 stable and parallel to each other ( 4b ).

5 zeigt verschiedene Methoden zur Änderung gebundener magnetischer Polaronen BMP in einem Bereich 112 des magnetisierbaren Materials mit Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP). Die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb der BMP ist stabil und parallel zueinander und nach der Änderung stabil und nicht notwendigerweise parallel zueinander. Die Änderung ist effektiv, wenn der Ladungszustand der Störstellen ST, ST', ST'' im Bereich 112 kurzzeitig nicht stabil ist und kein externes dc-Magnetfeld anliegt. Beispielsweise verursacht die Erwärmung durch lokale oder globale Ummagnetisierung mittels eines ac-Magnetfeldes, die Erwärmung durch Anregung von Gitterschwingungen durch Absorption elektromagnetischer Wellen der entsprechenden Phononenenergie oder die Änderung des Ladungszustandes der Störstellen durch photogenerierte Ladungsträger bei Besstrahlung mit elektromagnetischen Wellen, beispielsweise Licht, 11, eine kurzzeitige nicht stabile Besetzung der Störstellen ST, ST', ST'' und eine Aufhebung der parallelen Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente der BMP, solange nicht gleichzeitig ein äußeres Magnetfeld anliegt. 5 shows various methods for changing bound magnetic polarons BMP in one area 112 of the magnetizable material with stabilities ST, ST ', ST''with stable state of charge and with bound magnetic polarons (BMP). The alignment of the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a, N b b xμ the BMP is stable and parallel to each other and after the change stable and not necessarily parallel to each other. The change is effective when the charge state of the impurities ST, ST ', ST "is in the range 112 temporarily unstable and no external dc magnetic field is applied. For example, heating by local or global magnetization reversal by means of an ac magnetic field causes heating by excitation of lattice vibrations Absorption of electromagnetic waves of the corresponding phonon energy or the change in the charge state of the impurities by photogenerated charge carriers when irradiated with electromagnetic waves, for example light, 11 , a short-term unstable occupation of the impurities ST, ST ', ST''and a repeal of the parallel orientation of the total magnetic moments of the BMP, as long as there is not an external magnetic field at the same time.

6a zeigt wie die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Magnetisierung bei paralleler Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente der BMP verwendet werden kann. Dazu wird auf einen magnetisierbaren Halbleiter bzw. ein Oxid ein großflächiger (unstrukturierter), gleichrichtender Top(Gate)-Kontakt G aufgebracht. Vorteilhaft ist es, die Dicke des magnetisierbaren Halbleiters bzw. des Oxides so auszuführen, dass die Raumladungszone 140 unter dem Top(Gate)-Kontakt mindestens bis zum Substrat/Trägermaterial 17 reicht. 6a shows how the inventive arrangement for determining the magnetization can be used in parallel alignment of the total magnetic moments of the BMP. For this purpose, a large area (unstructured), rectifying top (gate) contact G is applied to a magnetizable semiconductor or an oxide. It is advantageous to design the thickness of the magnetizable semiconductor or of the oxide such that the space charge zone 140 below the top (gate) contact at least to the substrate / substrate 17 enough.

6b zeigt wie die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Transporteigenschaften freier Ladungsträger in den BMP verwendet werden kann. Dazu wird der Balken einer Hallbar-Struktur großflächig mit einem gleichrichtenden Kontakt G überdeckt. Ohne Magnetfeld ist die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb in 111 stabil und nicht notwendigerweise parallel zueinander. Mit Magnetfeld ist die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb in 112 stabil und parallel zueinander. Aufgrund der Verringerung der Mobilität freier Ladungsträger in einem Bereich 112 mit stabilen und parallel zueinander ausgerichteten magnetischen Gesamtmomenten der BMP, kann beispielsweise mittels Transport-Messungen an Hallbar-Strukturen gemessen werden, oberhalb welcher kritischen Magnetfeldstärke bei einer konstanten Temperatur die parallele Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente der BMP zueinander erfolgt. 6b shows how the arrangement according to the invention can be used to determine the transport properties of free charge carriers in the BMP. For this purpose, the bar of a Hall bar structure is covered over a large area with a rectifying contact G. Without a magnetic field, the alignment of all magnetic moments is Nxμ, N a xμ a , N b xμ b in 111 stable and not necessarily parallel to each other. With magnetic field the alignment of all magnetic moments is Nxμ, N a xμ a , N b xμ b in 112 stable and parallel to each other. Due to the reduction of the mobility of free charge carriers in one area 112 with stable and mutually aligned total magnetic moments of the BMP, can be measured for example by means of transport measurements on Hallbar structures, above which critical magnetic field strength at a constant temperature, the parallel alignment of the total magnetic moments of the BMP to each other.

In den Bereichen 110 außerhalb des Top(Gate)-Kontaktes G befinden sich die Störstellen ST, ST', ST'' im magnetisierbaren Oxid bzw. Halbleiter in einem instabilen Ladungszustand und die BMP sind instabil. Die strukturierten Zuleitungen der Hallbar-Struktur sind mit Oberflächen-Kontakten O1–O6 mit nichtgleichrichtenden Eigenschaften kontaktiert.In the fields of 110 outside the top (gate) contact G, the impurities ST, ST ', ST "in the magnetizable oxide or semiconductor are in an unstable state of charge, and the BMPs are unstable. The structured leads of the Hallbar structure are contacted with surface contacts O1-O6 with non-rectifying properties.

Die bis zeigen Ausführungsbeispiele.The to show exemplary embodiments.

Mindestens ein AusführungsbeispielAt least one embodiment

Spin-FET mit integrierten BMPSpin-FET with integrated BMP

Der Spin-FET mit den erfindungsgemäß integrierten BMP 20 umfasst einen magnetisierbaren Source-Kontakt S, einen magnetisierbaren Drain-Kontakt D, Bereiche 99 im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' mit instabilem Ladungszustand ohne substitutionell eingebaute, magnetische Ionen, eine Raumladungszone 140 im magnetisierbaren Material unter dem Top-Kontakt (Gate) G, einen Bereich 112 im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung aller magnetischer Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb stabil und parallel zueinander ist. Die Richtung und Stärke der Magnetisierung M des Source-Kontaktes S und des Drain-Kontaktes D ist durch einen entsprechenden Pfeil im Source-Kontakt S und im Drain-Kontakt D in gekennzeichnet.The spin FET with the inventively integrated BMP 20 comprises a magnetizable source contact S, a magnetizable drain contact D, regions 99 in the magnetizable material with impurities ST, ST ', ST''with unstable state of charge without substitutionally incorporated magnetic ions, a space charge zone 140 in the magnetizable material under the top contact (gate) G, an area 112 in the magnetizable material with stabilities ST, ST ', ST''with stable charge state and with bound magnetic polarons (BMP), whereby the orientation of all magnetic total moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b is stable and parallel to each other. The direction and strength of the magnetization M of the source contact S and the drain contact D is indicated by a corresponding arrow in the source contact S and in the drain contact D in characterized.

In einer weiteren Ausführungsvariante ist in eine isolierende Schicht 16 ein stromführender, von außen elektrisch kontaktierter Leitungspfad 170 zur lokalen Generation eines dc-Magnetfeldes Hdc oder eines ac-Magnetfeldes Hac eingebracht, wobei sich die isolierende Schicht 16 vorzugsweise direkt auf dem Trägermaterial 17 befindet. Bei Stromfluss durch den von außen elektrisch kontaktierten Leitungspfad 170 durchdringen die Magnetfeldlinien 171 die Raumladungszone 140 und es bilden sich stabile BMP mit parallel zueinander ausgerichteten magnetischen Gesamtmomenten im Bereich 112 aus.In a further embodiment is in an insulating layer 16 a current-carrying, externally electrically contacted conduction path 170 for the local generation of a dc magnetic field H dc or an ac magnetic field H ac introduced, wherein the insulating layer 16 preferably directly on the carrier material 17 located. When current flows through the externally electrically contacted line path 170 penetrate the magnetic field lines 171 the space charge zone 140 and stable BMP are formed with parallel magnetic moments in the range 112 out.

Beim Anlegen einer Spannung zwischen dem magnetisierten Source-Kontakt S und dem magnetisierten Drain-Kontakt D werden spinpolarisierte Ladungsträger 10 aus dem magnetisierten Source-Kontakt S in den Bereich 99 injiziert und driften vom Source-Kontakt S durch die Raumladungszone 140 unter dem Gate-Kontakt G zum magnetisierten Drain-Kontakt D.When a voltage is applied between the magnetized source contact S and the magnetized drain contact D, spin-polarized charge carriers are formed 10 from the magnetized source contact S in the area 99 injected and drift from the source contact S through the space charge zone 140 under the gate contact G to the magnetized drain contact D.

Die Richtung der stabilen, parallel zueinander ausgerichteten magnetischen Gesamtmomente der BMP in der Raumladungszone 140 bestimmt, ob die durch die Raumladungszone driftenden spinpolarisierten Ladungsträger 10 vorzugsweise in der Raumladungszone 140 gestreut (7a) und zum Drain-Kontakt D transportiert werden. Die Leitfähigkeit zwischen Source-Kontakt S und Drain-Kontakt D ist bei antiparalleler Ausrichtung der Spinpolarisation der spinpolarisierten Ladungsträger 10 zu den magnetischen Gesamtmomenten der BMP gering und der Spin-FET 20 ist im OFF-Zustand.The direction of the stable, mutually aligned total magnetic moments of the BMP in the space charge zone 140 determines whether the spin-polarized charge carriers drifting through the space charge zone 10 preferably in the space charge zone 140 scattered ( 7a ) and to the drain contact D to be transported. The conductivity between source contact S and drain contact D is in the case of antiparallel alignment of the spin polarization of the spin-polarized charge carriers 10 to the overall magnetic moments of BMP low and the spin FET 20 is in the OFF state.

Durch Änderung der Stromrichtung in den leitenden Pfaden 170 und damit Änderung des lokal generierten dc-Magnetfeldes Hdc oder ac-Magnetfeldes Hac in der Raumladungszone 140 kann die Richtung der stabilen, parallel zueinander ausgerichteten magnetischen Gesamtmomente der BMP in der Raumladungszone 140 umgedreht werden (7b) und der Transport der spinpolarisierten Ladungsträger 10 durch die Raumladungszone 140 erfolgt mit geringer Streuung (7b). Die Leitfähigkeit zwischen Source-Kontakt S und Drain-Kontakt D ist groß und der Spin-FET 20 ist im ON-Zustand.By changing the current direction in the conductive paths 170 and thus change of the local generated dc magnetic field H dc or ac magnetic field H ac in the space charge zone 140 can determine the direction of the stable, mutually aligned total magnetic moments of the BMP in the space charge zone 140 to be turned around ( 7b ) and the transport of the spin-polarized charge carriers 10 through the space charge zone 140 takes place with little dispersion ( 7b ). The conductivity between source contact S and drain contact D is large and the spin FET 20 is in the ON state.

Die Geschwindigkeit beim Schalten zwischen OFF-Zustand (7a) und ON-Zustand (7b) hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Richtung der stabilen, parallel zueinander ausgerichteten magnetischen Gesamtmomente der BMP in der Raumladungszone 140 durch lokale Generation eines Magnetfeldes geändert werden kann. Aufgrund der Stabilität der BMP in der Raumladungszone 140, bleibt die Information über den OFF-Zustand und den ON-Zustand des Spin-FET auch nach Wegnahme des äußeren Magnetfeldes erhalten, solange die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente nicht durch andere Einflüsse geändert wird, vgl. 5.The speed when switching between OFF state ( 7a ) and ON state ( 7b ) depends on the velocity with which the direction of the stable, mutually aligned total magnetic moments of the BMP in the space charge zone 140 can be changed by local generation of a magnetic field. Due to the stability of the BMP in the space charge zone 140 , the information about the OFF state and the ON state of the spin FET is retained even after removal of the external magnetic field, as long as the orientation of the total magnetic moments is not changed by other influences, cf. 5 ,

Die Gate-Länge des Spin-FET mit integriertem BMP kann auf die Ausdehnung eines einzelnen BMP, d. h. auf ca. 10 nm, herunterskaliert werden. Das ist vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, bei dem SPIN-FETs mindestens eine Gate-Länge von 1 μm aufweisen müssen, da die Spin-Präzisionslänge herkömmlicher SPIN-FETs im elektrischen Feld mindestens 1 μm beträgt.The gate length of the integrated BMP spin-FET may be limited to the extent of a single BMP, i. H. to about 10 nm, scaled down. This is advantageous over the prior art, in which SPIN FETs must have at least a gate length of 1 micron, since the spin precision length of conventional SPIN FETs in the electric field is at least 1 micron.

Spin-Filter mit integrierten BMPSpin filter with integrated BMP

Der Spin-Filter mit den erfindungsgemäß integrierten BMP 30 umfasst Bereiche 99 im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' mit instabilem Ladungszustand ohne substitutionell eingebaute, magnetische Ionen, zwei Raumladungszonen 140 im magnetisierbaren Material unter den beiden Gate-Kontakten G1 und G2, zwei Bereiche 112 im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' unter den Gate-Kontakten G1 und G2 mit stabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP), wobei nach Anlegen eines lokalen Magnetfeldes die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb jeweils in den beiden Bereichen 112 stabil und parallel zueinander ist, einen unmagnetisierbaren Source-Kontakt S und einen unmagnetisierbaren Drain-Kontakt D.The spin filter with the inventively integrated BMP 30 includes areas 99 in magnetizable material with impurities ST, ST ', ST''with unstable state of charge without substitutionally built-in magnetic ions, two space charge zones 140 in the magnetizable material under the two gate contacts G 1 and G 2 , two areas 112 in the magnetizable material with impurities ST, ST ', ST''under the gate contacts G 1 and G 2 with stable charge state and with bound magnetic polarons (BMP), whereby after application of a local magnetic field the orientation of all magnetic total moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b respectively in the two areas 112 is stable and parallel to each other, a non-magnetizable source contact S and a non-magnetizable drain contact D.

Zwei von außen elektrisch kontaktierbare Leitungspfade 170 zur lokalen Generation eines dc-Magnetfeldes Hdc oder eines ac-Magnetfeldes Hac sind in eine isolierende Schicht 16 eingebettet. Bei Stromfluss durch 170 durchdringen die Magnetfeldlinien 171 die beiden Bereiche 112 und es bilden sich stabile BMP mit parallel zueinander ausgerichteten magnetischen Gesamtmomenten in jedem Bereich 112 aus, wobei die Richtung der magnetischen Gesamtmomente in den beiden Bereichen 112 in Abhängigkeit von der Stromrichtung durch die stromführenden Pfade 170 gleich (8) oder entgegengesetzt ist.Two externally electrically contactable conductive paths 170 for local generation of a dc magnetic field H dc or an ac magnetic field H ac are in an insulating layer 16 embedded. When current flows through 170 penetrate the magnetic field lines 171 the two areas 112 and stable BMP are formed with parallel magnetic moments in each region 112 out, with the direction of the total magnetic moments in the two areas 112 depending on the current direction through the current-carrying paths 170 equal ( 8th ) or is opposite.

Beim Anlegen einer Spannung zwischen dem Source-Kontakt S und dem Drain-Kontakt D werden unpolarisierte Ladungsträger 10 aus dem unmagnetischen Source-Kontakt S in den Bereich 99 injiziert und driften vom Source-Kontakt S durch die Raumladungszone 140 unter dem Gate-Kontakt G1. Nach Durchlaufen der Raumladungszone 140 unter dem Gate-Kontakt G1 sind die Ladungsträger 10 in dem Bereich 99 zwischen den Raumladungszonen 140 unter den Gate-Kontakten G1 und G2 spinpolarisiert.When a voltage is applied between the source contact S and the drain contact D, unpolarized charge carriers are formed 10 from the non-magnetic source contact S in the area 99 injected and drift from the source contact S through the space charge zone 140 under the gate contact G 1 . After passing through the space charge zone 140 below the gate contact G 1 are the charge carriers 10 in that area 99 between the space charge zones 140 spin polarized under the gate contacts G 1 and G 2 .

Ist der Abstand zwischen den beiden Bereichen 112 so groß, dass die Spinpolarisation der im Bereich 112 unter dem Gate-Kontakt G1 spinpolarisierten Ladungsträger 10 beim Eintreffen im Bereich 112 vernachlässigbar ist, dann hängt der Gesamtwiderstand zwischen dem Source-Kontakt S und dem Drain-Kontakt D nur davon ab, ob sich in den Bereichen 112 stabile BMP mit gleicher Richtung der magnetischen Gesamtmomente ausbilden. Der Widerstand der Bereiche 112 mit stabilen BMP mit gleicher Richtung der Gesamtmomente ist groß.Is the distance between the two areas 112 so great that the spin polarization of the field 112 under the gate contact G 1 spin polarized charge carrier 10 when arriving in the area 112 is negligible, then the total resistance between the source contact S and the drain contact D only depends on whether in the areas 112 form stable BMP with the same direction of the total magnetic moments. The resistance of the areas 112 with stable BMP with the same direction of the overall moments is great.

Beispielsweise definiert man zur Realisierung eines OR-Logiktores einen großen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „1” und einen geringen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „0”. Die Ausbildung eines BMP mit gleicher Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „1” und die Ausbildung keines BMP mit gleicher Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „0”. Die Ausbildung des BMP wird beispielsweise über den Stromfluss in 170 gesteuert. Nur wenn in keinem der beiden Bereiche 112 ein BMP mit gleicher Richtung des Gesamtmomentes ausgebildet ist (Eingangsvariablen „0”, „0”), ist der Gesamtwiderstand des Spin-Filters mit integriertem BMP 30 gering (Ausgangsvariable „0”).For example, in order to realize an OR logic gate, a large total resistance is defined as output variable "1" and a low total resistance as output variable "0". The formation of a BMP with the same direction of the total moments corresponds to the input variable "1" and the formation of no BMP with the same direction of the total moments corresponds to the input variable "0". The education of the BMP becomes for example over the current flow in 170 controlled. Only if in neither of the two areas 112 a BMP is formed with the same direction of the total moment (input variables "0", "0"), is the Total resistance of the spin filter with integrated BMP 30 low (output variable "0").

Beispielsweise definiert man zur Realisierung der Identität eines AND-Logiktores einen großen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „0” und einen geringen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „1”. Die Ausbildung eines BMP mit gleicher Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „0” und die Ausbildung keines BMP mit gleicher Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „1”. Die Ausbildung des BMP wird beispielsweise über den Stromfluss in 170 gesteuert. Nur wenn in keinem der beiden Bereiche 112 ein BMP mit gleicher Richtung des Gesamtmomentes ausgebildet ist (Eingangsvariablen „1”, „1”), ist der Gesamtwiderstand des Spin-Filters mit integriertem BMP 30 gering (Ausgangsvariable „1”).For example, to realize the identity of an AND logic gate, a large total resistance is defined as output variable "0" and a low total resistance as output variable "1". The formation of a BMP with the same direction of the total moments corresponds to the input variable "0" and the formation of no BMP with the same direction of the total moments corresponds to the input variable "1". The education of the BMP becomes for example over the current flow in 170 controlled. Only if in neither of the two areas 112 a BMP is formed with the same direction of the total moment (input variables "1", "1"), is the total resistance of the spin filter with integrated BMP 30 low (output variable "1").

Wird ein nichtgleichrichtender Kontakt O zwischen dem Gate-Kontakt G1 und dem Gate-Kontakt G2 an dem Spin-Filter mit integrierten BMP angebracht und wird der Bereich 112 unter dem Gate-Kontakt G1 parallel zu dem Bereich 112 unter dem Gate-Kontakt G2 geschaltet, können weitere Logiktore realisiert werden. Als Eingangsvariable wird wieder die Ausbildung eines BMP mit paralleler Ausrichtung oder nicht paralleler Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente definiert. Die Ausgangsvariable des Logiktores ist der Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Bereiche 112 unter den Gate-Kontakten G1 und G2.When a non-rectifying contact O is applied between the gate contact G 1 and the gate contact G 2 to the spin filter with integrated BMP, the area becomes 112 under the gate contact G 1 parallel to the region 112 switched under the gate contact G 2 , more logic gates can be realized. The input variable is again defined as the formation of a BMP with parallel alignment or non-parallel alignment of the total magnetic moments. The output variable of the logic gate is the total resistance of the parallel connected areas 112 under the gate contacts G 1 and G 2 .

Ist der Abstand zwischen den beiden Bereichen 112 so gering, dass die Spinpolarisation P1 der im Bereich 112 unter dem Gate-Kontakt G1 spinpolarisierten Ladungsträger 10 beim Eintreffen der spinpolarisierten Ladungträger 10 im Bereich 112 unter dem Gate-Kntakt G2 erhalten bleibt, dann hängt der Gesamtwiderstand zwischen dem Source-Kontakt S und dem Drain-Kontakt D davon ab, ob die Spinpolarisation P1 der im Bereich 112 unter dem Gate-Kontakt G1 spinpolarisierten Ladungsträger 10 parallel oder antiparallel zur Spinpolarisation P2 der im Bereich 112 unter dem Gate-Kontakt G2 spinpolarisierten Ladungsträger 10 ist. Bei Stromfluss zwischen Source-Kontakt S und Drain-Kontakt D ist der Gesamtwiderstand der beiden Bereiche 112 groß, wenn P1 antiparallel zu P2 ist und klein, wenn P1 parallel zu P2 ist.Is the distance between the two areas 112 so small that the spin polarization P 1 is in the range 112 under the gate contact G 1 spin polarized charge carrier 10 upon arrival of the spin-polarized charge carriers 10 in the area 112 is maintained under the gate node G 2 , then the total resistance between the source contact S and the drain contact D depends on whether the spin polarization P 1 in the range 112 under the gate contact G 1 spin polarized charge carrier 10 parallel or antiparallel to the spin polarization P 2 in the range 112 under the gate contact G 2 spin polarized charge carriers 10 is. At current flow between source contact S and drain contact D is the total resistance of the two areas 112 large when P 1 is antiparallel to P 2 and small when P 1 is parallel to P 2 .

Beispielsweise definiert man zur Realisierung eines XOR-Logiktores einen großen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „1” und einen geringen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „0”. Die Ausbildung eines BMP mit up-Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „1” und die Ausbildung eines BMP mit down-Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „0”. Die Ausbildung des BMP wird beispielsweise über die Richtung des Stromflusses in 170 gesteuert. Nur wenn in beiden Bereichen 112 BMPs mit gleicher Richtung des Gesamtmomentes (Eingangsvariablen („1”, ”1”) oder („0”, „0”)) ausgebildet sind, ist der Gesamtwiderstand des Spin-Filters mit integriertem BMP 30 gering (Ausgangsvariable „0”). Sind in beiden Bereichen 112 BMPs mit unterschiedlicher Richtung des Gesamtmomentes (Eingangsvariablen („0”, ”1”) oder („1”, „0”)) ausgebildet, ist der Gesamtwiderstand des Spin-Filters mit integriertem BMP 30 groß (Ausgangsvariable „1”).For example, to implement an XOR logic gate, a large total resistance is defined as output variable "1" and a low total resistance as output variable "0". The formation of a BMP with up direction of the total moments corresponds to the input variable "1" and the formation of a BMP with down direction of the total moments corresponds to the input variable "0". The education of the BMP becomes for example over the direction of the current flow in 170 controlled. Only if in both areas 112 BMPs with the same direction of the total moment (input variables ("1", "1") or ("0", "0")) is the total resistance of the spin filter with integrated BMP 30 low (output variable "0"). Are in both areas 112 BMPs with different directions of the total moment (input variables ("0", "1") or ("1", "0")) is the total resistance of the spin filter with integrated BMP 30 large (output variable "1").

Beispielsweise definiert man zur Realisierung eines XNOR-Logiktores einen großen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „0” und einen geringen Gesamtwiderstand als Ausgangsvariable „1”. Die Ausbildung eines BMP mit up-Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „1” und die Ausbildung eines BMP mit down-Richtung der Gesamtmomente entspricht der Eingangsvariablen „0”. Die Ausbildung des BMP wird beispielsweise über die Richtung des Stromflusses in 170 gesteuert. Nur wenn in beiden Bereichen 112 BMPs mit gleicher Richtung des Gesamtmomentes (Eingangsvariablen („1”, ”1”) oder („0”, „0”)) ausgebildet sind, ist der Gesamtwiderstand des Spin-Filters mit integriertem BMP 30 gering (Ausgangsvariable „1”). Sind in beiden Bereichen 112 BMPs mit unterschiedlicher Richtung des Gesamtmomentes (Eingangsvariablen („0”, ”1”) oder („1”, „0”)) ausgebildet, ist der Gesamtwiderstand des Spin-Filters mit integriertem BMP 30 groß (Ausgangsvariable „0”).For example, to implement an XNOR logic gate, a large total resistance is defined as output variable "0" and a low total resistance as output variable "1". The formation of a BMP with up direction of the total moments corresponds to the input variable "1" and the formation of a BMP with down direction of the total moments corresponds to the input variable "0". The education of the BMP becomes for example over the direction of the current flow in 170 controlled. Only if in both areas 112 BMPs with the same direction of the total moment (input variables ("1", "1") or ("0", "0")) is the total resistance of the spin filter with integrated BMP 30 low (output variable "1"). Are in both areas 112 BMPs with different directions of the total moment (input variables ("0", "1") or ("1", "0")) is the total resistance of the spin filter with integrated BMP 30 large (output variable "0").

Spin-Diode mit integrierten BMPSpin diode with integrated BMP

Die Spin-Diode mit den erfindungsgemäß integrierten BMP 40 umfasst ein aktives Gebiet 41, bestehend aus einem n-leitenden Oxid oder Halbleiter (n-HL) und aus einem p-leitenden Oxid oder Halbleiter (p-HL) und optional aus einem intrinsisch leitenden Oxid oder Halbleiter (i-HL), einem strukturiert ausgeführten Top-Kontakt (Gate) G, welcher an dem magnetisierbaren, n-leitenden Oxid oder Halbleiter 112 (n-HLm) angebracht ist, und einem großflächigen oder strukturiert ausgeführten Bottom-Kontakt B. Der Bereich 112 unter dem Top-Kontakt G ist ein magnetisierbares Material mit Störstellen ST, ST', ST” mit stabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb stabil und nach Anlegen eines Magnetfeldes parallel zueinander ist ( ). Der Bereich 112 kann strukturiert ausgeführt sein.The spin diode with the inventively integrated BMP 40 includes an active area 41 consisting of an n-type oxide or semiconductor (n-HL) and a p-type oxide or semiconductor (p-HL) and optionally an intrinsically conductive oxide or semiconductor (i-HL), a structured top contact (Gate) G, which on the magnetizable, n-type oxide or semiconductor 112 (n-HL m ) is attached, and a large-area or structured bottom contact B. The area 112 under the top contact G is a magnetizable material with impurities ST, ST ', ST "with stable charge state and with bound magnetic polarons (BMP), the orientation of all magnetic moments Nxμ, Naxμa, Nbxμb stable and after applying a magnetic field parallel to each other is ( ). The area 112 can be structured.

In einer weiteren Ausführung ( ) ist der Bereich 112 unter dem Top-Kontakt (Gate) G von stromführenden Pfaden 170 umgeben, so dass bei Stromfluss durch 170 die Magnetfeldlinien 171 den Bereich 112 mit magnetisierbarem Material und Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand und mit stabilen gebundenen magnetischen Polaronen (BMP) durchdringen. Die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb im Bereich 112 hängt von der Richtung der Magnetfeldlinien 171 ab und ist lokal parallel zueinander.In a further embodiment ( ) is the area 112 under the top contact (gate) G of current-carrying paths 170 surrounded, so when current flows through 170 the magnetic field lines 171 the area 112 with magnetizable material and impurities ST, ST ', ST''with stable state of charge and with stable bound magnetic polarons (BMP). The orientation of all magnetic moments Nxμ, Naxμa, Nbxμb in the range 112 depends on the direction of the magnetic field lines 171 and is locally parallel to each other.

An die Gebiete 110 können überlappend mit dem Top(Gate)-Kontakt G zusätzlich nicht-gleichrichtende Oberflächen-Kontakte O befestigt sein ( ).To the areas 110 may be overlapping with the top (gate) contact G additionally non-rectifying surface contacts O attached ( ).

( ). Über Top-(Gate)-Kontakt G werden Elektronen in den Bereich 112 injiziert und dort spinpolarisiert. Die Richtung der Spinpolarisation hängt von der Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente in dem Bereich 112 ab. Die Elektronen und Löcher rekombinieren in dem intrinsischen Gebiet. Jedes rekombinierte Elektron-Loch-Paar emittiert ein Photon, dessen Energie ungefähr der elektronischen Bandlücke des intrinsisch leitenden Oxides bzw. Halbleiters entspricht. Die ausgesendete elektromagnetische Welle 11 p ist polarisiert.( ). Over top (gate) contact G electrons are in the range 112 injected and spin polarized there. The direction of spin polarization depends on the orientation of the total magnetic moments in the region 112 from. The electrons and holes recombine in the intrinsic region. Each recombined electron-hole pair emits a photon whose energy is approximately equal to the electronic band gap of the intrinsically conductive oxide or semiconductor. The emitted electromagnetic wave 11 p is polarized.

Die Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Welle 11 p, beispielsweise rechts-zirkular, links-zirkular, linear polarisiert, hängt von der Richtung und dem Grad der Spinpolarisation P der aus 112 über den n-HL in den i-HL injizierten Elektronen ab. Die Polarisationsrichtung der ausgesendeten elektromagnetischen Welle 11p kann über die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb im Bereich 112 kontrolliert eingestellt werden.The polarization direction of the emitted electromagnetic wave 11 p , for example, right-circular, left-circular, linearly polarized, depends on the direction and the degree of spin polarization P of 112 via the n-HL in the i-HL injected electron. The polarization direction of the emitted electromagnetic wave 11p can be determined by the orientation of the total magnetic moments Nxμ, Naxμa, Nbxμb in the range 112 be adjusted in a controlled manner.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

SS
Source-Kontakt, magnetisch mit Magnetisierung M oder unmagnetischSource contact, magnetic with magnetization M or non-magnetic
G, G1, G2 G, G 1 , G 2
Top-(Gate)-Kontakte mit gleichrichtenden EigenschaftenTop (gate) contacts with rectifying properties
DD
Drain-Kontakt, magnetisch mit Magnetisierung M oder unmagnetischDrain contact, magnetic with magnetization M or non-magnetic
O, Oi O, O i
Oberflächen-Kontakte mit nichtgleichrichtenden EigenschaftenSurface contacts with non-rectifying properties
BB
Bottom-KontaktBottom contact
I, Ia, IbI, Ia, Ib
Magnetische Ionen mit Elektronenspin S, Sa, Sb, welche substitutionell in das magnetisierbare Material eingebaut sind und sich bezüglich ihrer magnetischen Momente μ, μa, μb unterscheidenMagnetic ions with electron spin S, S a , S b , which are substitutionally incorporated into the magnetizable material and differ with respect to their magnetic moments μ, μ a , μ b
ST, ST', ST''ST, ST ', ST' '
Elektrisch aktive Störstellen (Donatoren, Akzeptoren) mit instabilem und stabilem Ladungszustand, wobei die magnetischen Wechselwirkungskräfte (exchange coupling) zwischen einer elektrisch aktiven Störstelle und den substitutionell eingebauten magnetischen Ionen I, Ia, Ib von dem Ladungszustand und der Spezies der Störstelle, von dem Abstand zwischen der Störstelle und substitutionell eingebauten magnetischen Ionen I, Ia, Ib sowie von der Spezies der substitutionell eingebauten magnetischen Ionen abhängen. Die Störstellen können die Ausbildung von Raumladungszonen im magnetisch Halbleiter oder magnetischen Oxid beeinflussen.Electrically active impurities (donors, acceptors) with unstable and stable state of charge, wherein the exchange coupling forces between an electrically active impurity and the substitutionally installed magnetic ions I, I a , I b of the charge state and the species of the impurity, of depend on the distance between the impurity and substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b and on the species of substitutionally incorporated magnetic ions. The impurities may affect the formation of space charge zones in the magnetic semiconductor or magnetic oxide.
N, Na, Nb N, N a , N b
Zahl der substitutionell eingebauten, magnetischen Ionen I, Ia, Ib, welche mit der selben elektrisch aktiven Störstelle ST, ST' ST'' Wechselwirken, wobei die magnetischen Momente u, μa, μb der N, Na, Nb magnetischen Ionen I, Ia, Ib parallel zueinander ausgerichtet sind und die momentane Ausrichtung der magnetischen Momente von dem Ladungszustand der elektrisch aktiven Störstelle ST, ST', ST'' bestimmt ist.Number of substitutionally installed, magnetic ions I, I a , I b , which interact with the same electrically active impurity ST, ST 'ST'', wherein the magnetic moments u, μ a , μ b of N, N a , N b magnetic ions I, I a , I b are aligned parallel to each other and the instantaneous orientation of the magnetic moments of the charge state of the electrically active impurity ST, ST ', ST''is determined.
BMP, BMPa, BMPb BMP, BMP a , BMP b
Gebundenes, magnetisches Polaron (engl., bound magnetic polaron), gebildet aus N, Na, Nb magnetischen Ionen I, Ia, Ib mit den magnetischen Momenten μ, μa, μb und einer Störstelle ST, ST', ST'' im Zentrum, wobei das magnetische Gesamtmoment des BMP Nxμ, Naxμa, Nbxμb beträgt.Bound magnetic polaron formed of N, N a , N b of magnetic ions I, I a , I b with the magnetic moments μ, μ a , μ b and an impurity ST, ST ', ST '' in the center, where the total magnetic moment of the BMP is Nxμ, N a xμ a , N b xμ b .
P, P1, P2 P, P 1 , P 2
Spinpolarisation freier Ladungsträger, welche durch ein gebundenes magnetisches Polaron BMP, BMP1, BMP2 driften bzw. diffundieren.Spin polarization of free charge carriers, which drift or diffuse through a bound magnetic polaron BMP, BMP 1 , BMP 2 .
9999
Bereich im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' mit instabilem Ladungszustand ohne substitutionell eingebaute, magnetische Ionen I, Ia, Ib, in dem sich keine BMP ausbilden.Area in magnetizable material with impurities ST, ST ', ST''with unstable Charge state without substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b , in which no BMP form.
100100
Bereich im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' mit stabilem Ladungszustand ohne substitutionell eingebaute, magnetische Ionen I, Ia, Ib, in dem sich keine BMP ausbilden.Area in the magnetizable material with impurities ST, ST ', ST "with a stable state of charge without substitutionally incorporated magnetic ions I, I a , I b , in which no BMP form.
110110
Bereich im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST'' mit instabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung der magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb zueinander instabil ist.Area in the magnetizable material with impurities ST, ST ', ST''with unstable charge state and with bound magnetic polarons (BMP), wherein the alignment of the total magnetic moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b is unstable to each other.
111111
Bereich im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST” mit stabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb stabil und nicht notwendigerweise parallel zueinander ist.Area in the magnetizable material with ST, ST ', ST "stabilities with stable charge state and with bound magnetic polarons (BMP), where the orientation of all magnetic moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b is stable and not necessarily parallel to each other.
112112
Bereich im magnetisierbaren Material mit Störstellen ST, ST', ST” mit stabilem Ladungszustand und mit gebundenen magnetischen Polaronen (BMP), wobei die Ausrichtung aller magnetischen Gesamtmomente Nxμ, Naxμa, Nbxμb stabil und parallel zueinander ist.Area in the magnetizable material with ST, ST ', ST "stabilities with stable charge state and with bound magnetic polarons (BMP), whereby the alignment of all magnetic moments Nxμ, N a xμ a , N b xμ b is stable and parallel to each other.
120120
Source-Kontakt-AnschlussbereichSource contact terminal area
130130
Drain-Kontakt-AnschlussbereichDrain contact-terminal region
140140
Raumladungszone im magnetisierbaren Material unter dem Top-(Gate)-KontaktSpace charge zone in the magnetizable material under the top (gate) contact
150150
Raumladungszone in Bereichen des magnetisierbaren Materials mit inhomogenem DotierprofilSpace charge zone in areas of the magnetizable material with inhomogeneous doping profile
170170
Stromführende, von außen elektrisch kontaktierbare Leitungspfade zur lokalen Generation eines dc-Magnetfeldes Hdc bzw. eines ac-Magnetfeldes Hac Current-carrying, electrically contactable from the outside wiring paths for the local generation of a dc magnetic field H dc and an ac magnetic field H ac
171171
Feldlinien des lokal erzeugten dc-Magnetfeldes Hdc bzw. eines ac-Magnetfeldes Hac Field lines of the locally generated dc magnetic field Hdc and an ac magnetic field H ac
10, 10'10, 10 '
Spinpolarisierte Ladungsträger, unpolarisierte LadungsträgerSpin-polarized charge carriers, unpolarized charge carriers
1111
Einfallende, elektromagnetische WelleIncident electromagnetic wave
11p 11 p
Ausgesendete, polarisierte elektromagnetische Welle einer Spin-LED 40 Sent, polarized electromagnetic wave of a spin LED 40
1616
elektrisch isolierendes Material/isolierende Schichtelectrically insulating material / insulating layer
1717
Substrat/TrägermaterialSubstrate / carrier material
1818
Bottom-Kontakt-AnschlussbereichBottom-contact terminal area
2020
Spin-Feldeffekttransistor mit integrierten, stabilen BMPSpin field effect transistor with integrated, stable BMP
3030
Spin-Filter mit integrierten, stabilen BMPSpin filter with integrated, stable BMP
4040
Spin-Lichtemittierende Diode (LED) mit integrierten, stabilen BMPSpin light emitting diode (LED) with integrated, stable BMP
n-HLn-HL
n-leitender Halbleiter bzw. Oxid in Spin-LED 40 n-type semiconductor or oxide in spin-LED 40
n-HLm n-HL m
magnetisierbarer, n-leitender Halbleiter bzw. Oxid in Spin-LED 40 magnetizable, n-type semiconductor or oxide in spin-LED 40
i-HLi-HL
intrinsisch leitender Halbleiter Halbleiter bzw. Oxid in Spin-LED 40 intrinsically conductive semiconductor semiconductor or oxide in spin LED 40
p-HLm p-HL m
p-leitender Halbleiter bzw. Oxid in Spin-LED 40 p-type semiconductor or oxide in spin-LED 40
4141
Aktives Gebiet in integrierter Spin-Lichtemittierender Diode 40 mit BMP, bestehend aus magnetisierbarem n-leitendem Material n-HLm, n-leitendem Material (n-HL) und p-leitendem Material (p-HL) und optional intrinsisch leitendem Material (i-HL)Active area in integrated spin-light-emitting diode 40 with BMP, consisting of magnetizable n-type material n-HL m , n-type material (n-HL) and p-type material (p-HL) and optionally intrinsically conductive material (i-HL)
Hdc, Hdc1,H dc , H dc1 ,
dc-Magnetfeld, gekennzeichnet durch Richtung und Amplitude, von außendc magnetic field, characterized by direction and amplitude, from the outside
Hdc2 H dc2
angelegt oder durch einen Stromfluss durch Leitungspfade 170 lokal generiertcreated or by a current flow through line paths 170 locally generated
Hac H ac
ac-Magnetfeld, gekennzeichnet durch Richtung und Amplitude, von außen angelegt oder durch einen Stromfluss durch Leitungspfade 170 lokal generiertac magnetic field, characterized by direction and amplitude, applied externally or by a current flow through conduction paths 170 locally generated
M, Mi M, M i
Magnetisierung, wobei die lokale Magnetisierung M, Mi ortsabhängig sein kann und von dem von außen angelegten dc-Magnetfeld Hdc oder ac-Magnetfeld Hac abhängtMagnetization, wherein the local magnetization M, M i can be location-dependent and depends on the externally applied dc magnetic field Hdc or ac magnetic field H ac

Claims (8)

Spintronik-Bauelement (20, 30), aufweisend – ein Trägermaterial (17), – eine an dem Trägermaterial (17) angeordnete isolierende Schicht (16), – einen in die isolierende Schicht (16) eingebrachten, von außen elektrisch kontaktierten Leitungspfad (170), sowie – mindestens einen physisch kontaktierend an der isolierenden Schicht (16) angeordneten Bereich (112) mit einem magnetisierbaren Halbleiter, umfassend mindestens eine Raumladungszone (140) in dem magnetisierbaren Halbleiter, wobei mindestens in dem Bereich der Raumladungszone substitutionell eingebaute magnetische Ionen und elektrisch aktive Störstellen (ST) vorliegen und sich dadurch an den elektrisch aktiven Störstellen gebundene magnetische Polaronen (BMP) im Bereich der Raumladungszone (140) stabil ausbilden, – einen an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten Top-Gate-Kontakt (G), wobei der Top-Gate-Kontakt (G) gegenüber dem Leitungspfad (170) angeordnet ist, – einen seitlich des Top-Gate-Kontakts (G) an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten Source-Kontakt (S), und – einen gegenüber dem Source-Kontakt (S) seitlich des Top-Gate-Kontakts (G) an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten Drain-Kontakt (D).Spintronic device ( 20 . 30 ), comprising - a carrier material ( 17 ), - one on the carrier material ( 17 ) insulating layer ( 16 ), - one in the insulating layer ( 16 ) introduced from the outside electrically contacted conduction path ( 170 ), and - at least one physically contacting the insulating layer ( 16 ) ( 112 ) comprising a magnetizable semiconductor comprising at least one space charge zone ( 140 ) in the magnetizable semiconductor, wherein at least in the region of the space charge zone substitutionally incorporated magnetic ions and electrically active impurities (ST) are present and thereby bound to the electrically active impurity magnetic polarons (BMP) in the space charge zone ( 140 ) stably form a top-gate contact (G) arranged on the magnetizable semiconductor, the top-gate contact (G) being opposite the conduction path ( 170 ), - a source contact (S) arranged laterally of the top-gate contact (G) on the magnetizable semiconductor, and - a side of the top-gate contact (G) opposite the source contact (S) the magnetizable semiconductor arranged drain contact (D). Spintronik-Bauelement in Form einer Spin-Diode (40), welches mindestens einen Bereich (112) mit einem magnetisierbaren Halbleiter enthält, umfassend mindestens eine Raumladungszone (140) in dem magnetisierbaren Halbleiter, wobei mindestens in dem Bereich der Raumladungszone substitutionell eingebaute magnetische Ionen und elektrisch aktive Störstellen (ST) vorliegen und sich dadurch an den elektrisch aktiven Störstellen gebundene magnetische Polaronen (BMP) im Bereich der Raumladungszone (140) stabil ausbilden, ferner aufweisend einen an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordneten strukturierten Gate-Top-Kontakt (G), eine gegenüber dem Gate-Top-Kontakt (G) an dem magnetisierbaren Halbleiter angeordnete Schichtfolge mit einer Schicht aus einem n-leitenden Halbleiter (n-HL), einer Schicht aus einem p-leitenden Halbleiter (p-HL), und einen dem Gate-Top-Kontakt (G) gegenüberliegenden Bottom-Kontakt (B).Spintronic device in the form of a spin diode ( 40 ), which at least one area ( 112 ) comprising a magnetizable semiconductor comprising at least one space charge zone ( 140 ) in the magnetizable semiconductor, wherein at least in the region of the space charge zone substitutionally incorporated magnetic ions and electrically active impurities (ST) are present and thereby bound to the electrically active impurity magnetic polarons (BMP) in the space charge zone ( 140 ), further comprising a structured gate-top contact (G) arranged on the magnetizable semiconductor, a layer sequence arranged opposite the gate-top contact (G) on the magnetizable semiconductor, with a layer of an n-type semiconductor (n -HL), a p-type semiconductor layer (p-HL), and a bottom contact (B) opposite to the gate-top contact (G). Spintronik-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellen zur Ausbildung der Raumladungszone (140) gleichzeitig als die elektrisch aktiven Störstellen (ST) dienen, an denen sich die gebundenen magnetischen Polaronen (BMP) ausbilden.Spintronic device according to claim 1 or 2, characterized in that the impurities to form the space charge zone ( 140 ) simultaneously serve as the electrically active impurities (ST) at which the bound magnetic polarons (BMP) form. Spintronik-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Konzentrationsverhältnis der elektrisch aktiven Störstellen zu den substitutionell eingebauten magnetischen Ionen mindestens etwa 1:10 beträgt.Spintronic component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the concentration ratio of the electrically active impurities to the substitutionally incorporated magnetic ions is at least about 1:10. Spintronik-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die substitutionell eingebauten magnetischen Ionen 3d-Übergangsmetallionen oder 4f-seltene Erd-Ionen sind und deren Konzentration kleiner als 30 at.% ist.A spintronic device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the substitutionally incorporated magnetic ions are 3d transition metal ions or 4f rare earth ions and their concentration is less than 30 at.%. Spintronik-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spintronik-Bauelement mindestens einen an dem Halbleiterangebrachten stromleitenden Pfad (170) aufweist.A spintronic device according to any one of the preceding claims, when dependent on claim 2, characterized in that the spintronic device comprises at least one current-carrying path (FIG . 170 ) having. Spintronik-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, sofern rückbezogen auf Anspruch 1, wobei das Spintronik-Bauelement ein Spin-FET (20) ist.A spintronic device according to any one of claims 1 and 3 to 5, when appended to claim 1, wherein the spintronics device comprises a spin-FET ( 20 ). Spintronik-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, sofern rückbezogen auf Anspruch 1, wobei das Spintronik-Bauelement ein Spin-Filter (30) ist.A spintronic device according to any one of claims 1 and 3 to 5, when dependent on claim 1, wherein the spintronics device comprises a spin filter ( 30 ).
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