RU2748909C1 - Magnetoresistive spin led - Google Patents
Magnetoresistive spin led Download PDFInfo
- Publication number
- RU2748909C1 RU2748909C1 RU2020128561A RU2020128561A RU2748909C1 RU 2748909 C1 RU2748909 C1 RU 2748909C1 RU 2020128561 A RU2020128561 A RU 2020128561A RU 2020128561 A RU2020128561 A RU 2020128561A RU 2748909 C1 RU2748909 C1 RU 2748909C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- ferromagnetic
- magnetoresistive
- spin
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к полупроводниковым приборам, касается магниторезистивного спинового светодиода, в котором с помощью магнитного поля можно независимо управлять интенсивностью излучения и степенью циркулярной поляризации.The present invention relates to semiconductor devices, concerns a magnetoresistive spin LED, in which the radiation intensity and the degree of circular polarization can be independently controlled using a magnetic field.
Магниторезистивный элемент - прибор, работающий на основе явления спин-зависимого транспорта. Он состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных тонким слоем немагнитного материала. В одном из слоев ферромагнетика магнитный момент "закреплён", другими словами, намагниченность данного слоя намного менее чувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Другой слой ферромагнетика является "свободным" - его намагниченность может быть изменена внешним магнитным полем относительно малой напряженности. Если эти слои намагничены антипараллельно, сопротивление электрическому току в подобной структуре будет высоким вследствие дополнительного вклада спин-зависимого рассеяния ориентированных по спину носителей при переносе в слой с противоположной намагниченностью. Если же намагнитить слои параллельно, сопротивление уменьшится, т.к. при параллельном намагничивании спинов носителей и «свободного» слоя вклад спин-зависимого рассеяния существенно снижается (M.N. Baibich, J.M. Broto, A. Fert. Phys. Rev. Lett., 61 , 2472 (1998); G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach. Phys. Rev. B, 39 , 4828 (1998); P. Bruno, Phys. Rev. B, 49 , 13231 (1994)). Таким образом, в подобном приборе возможно задание одного из двух устойчивых состояний, а именно - высокое и низкое сопротивление.A magnetoresistive element is a device based on the phenomenon of spin-dependent transport. It consists of two layers of a ferromagnet separated by a thin layer of non-magnetic material. In one of the layers of the ferromagnet, the magnetic moment is "fixed", in other words, the magnetization of this layer is much less sensitive to changes in the external magnetic field. Another layer of the ferromagnet is "free" - its magnetization can be changed by an external magnetic field of relatively low strength. If these layers are magnetized antiparallel, the resistance to electric current in such a structure will be high due to the additional contribution of spin-dependent scattering of spin-oriented carriers upon transfer to a layer with opposite magnetization. If the layers are magnetized in parallel, the resistance will decrease, because with parallel magnetization of the spins of the carriers and the "free" layer, the contribution of spin-dependent scattering is significantly reduced ( MN Baibich, JM Broto, A. Fert. Phys. Rev. Lett., 61 , 2472 (1998) ; G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach Phys. Rev. B, 39 , 4828 (1998) ; P. Bruno, Phys. Rev. B, 49 , 13231 (1994) ). Thus, in such a device, it is possible to set one of two stable states, namely, high and low resistance.
Спиновый светодиод - прибор, работа которого основана на инжекции спин-поляризованных носителей заряда. Принцип действия прибора заключается в электрической инжекции носителей с определённым значением спина, из намагниченного ферромагнитного инжектора в неферромагнитный полупроводник, в результате в последнем создаётся неравновесная спиновая поляризация носителей заряда. В данном приборе инжектированные спин-поляризованные носители рекомбинируют с испусканием циркулярно-поляризованного света. Параметром излучения является степень циркулярной поляризации (Р), которая меняется от -1 до 1 (причём «-1» соответствует излучению циркулярно-поляризованному по правому кругу, «+1» - по левому кругу, промежуточные значения -1<P<1 соответствуют излучению, содержащему обе компоненты циркулярной поляризации) (G. Schmidt, J. Phys. D: Appl. Phys., 38 , R107 (2005); M. Holub, P. Bhattacharya, J. Phys. D: Appl. Phys., 40 , R179 (2007); J. Zarpellon, H. Jaffres, J. Frougier, C. Deranlot, J. M. George, D.H. Mosca, A. Lemaıtre, F. Freimuth, Q.H. Duong, P. Renucci, X. Marie, Phys. Rev. B, 86 , 205314 (2012)). Таким образом, в подобном приборе также возможно задание одного из двух устойчивых состояний, а именно - правая и левая циркулярная поляризация излучения.A spin LED is a device whose operation is based on the injection of spin-polarized charge carriers. The principle of operation of the device consists in the electric injection of carriers with a certain spin value from a magnetized ferromagnetic injector into a non-ferromagnetic semiconductor, as a result of which a nonequilibrium spin polarization of charge carriers is created in the latter. In this device, the injected spin-polarized carriers recombine to emit circularly polarized light. The radiation parameter is the degree of circular polarization (P), which varies from -1 to 1 (with "-1" corresponding to circularly polarized radiation along the right circle, "+1" - along the left circle, intermediate values -1 <P <1 correspond to radiation containing both components of circular polarization) ( G. Schmidt, J. Phys. D: Appl. Phys., 38 , R107 (2005) ; M. Holub, P. Bhattacharya, J. Phys. D: Appl. Phys., 40 , R179 (2007) ; J. Zarpellon, H. Jaffres, J. Frougier, C. Deranlot, JM George, DH Mosca, A. Lemaitre, F. Freimuth, QH Duong, P. Renucci, X. Marie, Phys. Rev. B, 86 , 205314 (2012) ). Thus, in such a device it is also possible to set one of two stable states, namely, right and left circular polarization of radiation.
Принцип переключения как магниторезистивного элемента, так и спинового светодиода применяется в системах кодирования информации, при котором информация представляется в виде двоичного кода - «логического нуля» и «логической единицы». Как правило, логическому нулю соответствует низкий уровень сигнала, логической единице - высокий. В качестве сигнала в микроэлектронике используется напряжение на элементе (Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1987. - 209 с.), в оптоэлектронике - интенсивность оптического излучения (Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир, 1976. - 431 с.). В магниторезистивном элементе сигналом является напряжение на элементе, в спиновом светодиоде - степень циркулярной поляризации оптического излучения.The principle of switching both a magnetoresistive element and a spin LED is used in information coding systems, in which information is represented in the form of a binary code - "logical zero" and "logical one". As a rule, a logic zero corresponds to a low signal level, and a logic one corresponds to a high one. As a signal in microelectronics, the voltage on the element is used ( Efimov I.E., Kozyr I. Ya., Gorbunov Yu.I. Microelectronics: Design, types of microcircuits, functional microelectronics. - 2nd ed. - M .: Higher school, 1987. - 209 p. ), In optoelectronics - the intensity of optical radiation ( Moss T., Burrell G., Ellis B. Semiconductor optoelectronics. M .: Mir, 1976. - 431 p. ). In a magnetoresistive element, the signal is the voltage across the element, in a spin LED, the degree of circular polarization of the optical radiation.
На сегодняшний день вопросы физики и технологии как магниторезистивных элементов, так и спиновых светодиодов рассматриваются, в основном, по отдельности. Так, среди спиновых светодиодов можно выделить приборы (например, заявка US 5874749 A, патенты KR 100527340 B1, RU 162411 U1), в которых возбуждение циркулярно-поляризованного излучения возникает за счёт инжектирования спин-поляризованных носителей заряда из ферромагнитного слоя. To date, the issues of physics and technology of both magnetoresistive elements and spin LEDs are considered mainly separately. So, among spin LEDs, devices can be distinguished (for example, application US 5874749 A, patents KR 100527340 B1, RU 162411 U1 ), in which the excitation of circularly polarized radiation occurs due to the injection of spin-polarized charge carriers from the ferromagnetic layer.
Недостатками указанных приборов является невозможность управления интенсивностью электролюминесценции за счёт приложения внешнего магнитного поля, а также нахождение прибора только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях. The disadvantages of these devices are the impossibility of controlling the intensity of electroluminescence due to the application of an external magnetic field, as well as finding the device in only two rather than four stable states.
Среди магниторезистивных элементов можно выделить приборы (например, заявки US20060091991A1, US20140332766A1, патент US6210810B1), в которых под воздействием магнитного поля изменяется сопротивление системы, поэтому такие приборы могут быть интегрированы в различные системы, включая, помимо прочего, системы обнаружения магнитного поля и устройства отображения.Among the magnetoresistive elements, one can distinguish devices (for example, applications US20060091991A1, US20140332766A1, patent US6210810B1 ), in which the resistance of the system changes under the influence of a magnetic field, therefore such devices can be integrated into various systems, including, but not limited to, magnetic field detection systems and display devices ...
Недостатком приведённых технических решений является отсутствие принципиальной возможности получения оптического излучения.The disadvantage of the above technical solutions is the lack of a fundamental possibility of obtaining optical radiation.
Технологическое объединение магниторезистивного элемента (спинового клапана) и светодиода за счёт создания интегральной схемы низкой степени интеграции представлено в ряде патентов. Например, прибор (заявка US 20090250712 A1), в котором магнитный материал встроен в структуру светоизлучающего устройства. В таком устройстве, при приложении магнитного поля к светоизлучающему устройству можно повысить эффективность излучения света и увеличить яркость светоизлучающего устройства.The technological combination of a magnetoresistive element (spin valve) and an LED by creating an integrated circuit of a low degree of integration is presented in a number of patents. For example, a device ( application US 20090250712 A1 ), in which a magnetic material is embedded in the structure of a light-emitting device. In such a device, by applying a magnetic field to the light-emitting device, it is possible to improve the light-emitting efficiency and increase the brightness of the light-emitting device.
Можно отметить прибор (патент TW I412156 B), в котором магнитный материал встраивается в светоизлучающее устройство для изменения пути протекания и распределения плотности тока, в результате чего эффективность излучения света может быть увеличена, а распределение плотности тока остается однородным. Также, можно отметить прибор (патент US 10636940 B2), в котором встроенный магнитный слой может обеспечить улучшенную эффективность светоизлучающего устройства за счет применения магнитного поля для удержания электронов и дырок в активном слое с использованием силы, создаваемой магнитным полем, что увеличивает вероятность рекомбинации электрон-дырочных пар.Noteworthy is a device ( patent TW I412156 B ) in which a magnetic material is embedded in a light-emitting device to change the flow path and current density distribution, as a result of which the light emission efficiency can be increased and the current density distribution remains uniform. Also noteworthy is a device ( US patent 10,636,940 B2 ), in which an embedded magnetic layer can provide improved efficiency of a light-emitting device by using a magnetic field to confine electrons and holes in the active layer using the force generated by the magnetic field, which increases the probability of electron recombination. hole pairs.
Недостатком указанных способов является невозможность получения циркулярно-поляризованного излучения, вследствие чего запатентованные приборы могут находиться только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях.The disadvantage of these methods is the impossibility of obtaining circularly polarized radiation, as a result of which the patented devices can be in only two, not four, stable states.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство спин-поляризованных светоизлучающих диодов на основе органических биполярных спиновых клапанов, защищенное патентом US 9799842 B2, кл. H01L51/50, H01L51/52, H01L51/56, H01L51/00, опубл. 24.10.2017 г., принятое за ближайший аналог (прототип).Closest to the proposed invention is a device for spin-polarized light-emitting diodes based on organic bipolar spin valves, protected by US patent 9799842 B2, class. H01L51 / 50, H01L51 / 52, H01L51 / 56, H01L51 / 00, publ. October 24, 2017, taken as the closest analogue (prototype).
Устройство по прототипу является комбинацией органического светодиода и органического спинового клапана с ферромагнитными электродами. При использовании такого прибора без ферромагнитных электродов коэффициент бимолекулярный рекомбинации b (прямо пропорциональный интенсивности электролюминесценции) не зависит от магнитного поля, а доля тока, возникающая из-за комбинации электронов и дырок, обратно пропорциональна b. При использовании ферромагнитных электродов, происходит инжекция спин-поляризованных носителей, и коэффициент b становится зависимым от магнитного поля. Поскольку в данном приборе при приложении внешнего магнитного поля изменяется взаимная намагниченность ферромагнитных электродов, соответственно изменяется и коэффициент b, в результате чего изменяется интенсивность электролюминесценции органического светодиода. Таким образом, в подобном приборе с помощью внешнего магнитного поля можно управлять интенсивностью излучения.The prototype device is a combination of an organic light-emitting diode and an organic spin valve with ferromagnetic electrodes. When using such a device without ferromagnetic electrodes, the bimolecular recombination coefficient b (directly proportional to the electroluminescence intensity) does not depend on the magnetic field, and the fraction of the current arising from the combination of electrons and holes is inversely proportional to b . When using ferromagnetic electrodes, spin-polarized carriers are injected, and the coefficient b becomes dependent on the magnetic field. Since in this device, when an external magnetic field is applied, the mutual magnetization of the ferromagnetic electrodes changes, the coefficient b changes accordingly, as a result of which the intensity of the electroluminescence of the organic light-emitting diode changes. Thus, in such a device, the radiation intensity can be controlled using an external magnetic field.
Недостатками указанного прибора являются низкая модуляция электролюминесценции (~1%), а также невозможность получения циркулярно-поляризованного излучения. Вследствие последнего, запатентованный прибор может находиться только в двух, а не в четырёх устойчивых состояниях. The disadvantages of this device are low modulation of electroluminescence (~ 1%), as well as the impossibility of obtaining circularly polarized radiation. Due to the latter, the patented device can only be in two, not four, steady states.
Задачей изобретения является создание магниторезистивного спинового светодиода, испускающего электролюминесцентное циркулярно-поляризованное излучение и имеющего четыре устойчивых состояния.The object of the invention is to provide a magnetoresistive spin LED emitting electroluminescent circularly polarized radiation and having four stable states.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение информационной ёмкости полупроводниковых элементов, являющихся ячейками памяти в схемах хранения, передачи и обработки информации. The technical result from the use of the proposed invention is to increase the information capacity of semiconductor elements, which are memory cells in circuits for storing, transmitting and processing information.
Это достигается тем, что магниторезистивный спиновый светодиод содержит спиновый светодиод и магниторезистивный элемент, последовательно расположенные друг над другом, при этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, излучающий слой, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава InxGa1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22, и полупроводниковый спейсерный слой из арсенида галлия, над полупроводниковой частью спинового светодиода выполнен тонкий диэлектрический слой, и ферромагнитный контакт Шоттки, выполненный из ферромагнитного сплава CoPt или ферромагнитного сплава CoPd, спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем, и слоем немагнитного металла, выполненным над ферромагнитным контактом Шоттки, над слоем немагнитного металла выполнен магниторезистивный элемент, включающий буферный слой из хрома, нижний ферромагнитный слой, немагнитный слой из меди, верхний ферромагнитный слой, и защитный слой из галлида марганца MnxGa5 (x=2-3), базовый электрод к подложке, причем диэлектрический слой, ферромагнитный контакт Шоттки и слой немагнитного металла выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм, а вокруг контакта сформирована область, изолированная от протекания электрического тока; в спиновом светодиоде буферный слой выполнен толщиной 0,1-3 мкм, излучающий слой толщиной 1-100 нм, диэлектрический слой спинового светодиода выполнен толщиной 0,5-2 нм; полупроводниковый спейсерный слой выполнен либо из нелегированного арсенида галлия, либо арсенида галлия, слабо легированного донорной примесью, либо арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, толщиной 5-200 нм; ферромагнитный контакт Шоттки выполнен толщиной 5-20 нм, причем ось лёгкого намагничивания в указанном слое должна лежать перпендикулярно плоскости слоя; диэлектрический слой, отделяющий спиновый светодиод от магниторезистивного элемента выполнен толщиной 0,5-3 нм; слой немагнитного металла выполнен толщиной 5-100 нм из меди или из золота; в магниторезистивном элементе буферный слой выполнен толщиной 3-5 нм, нижний ферромагнитный слой толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой толщиной 2-10 нм, верхний ферромагнитный слой толщиной 0,2-4 нм, защитный слой толщиной 2-10 нм; нижний ферромагнитный слой и верхний ферромагнитный слой выполнены из ферромагнитного сплава CoFe, ось лёгкого намагничивания в указанных слоях лежит в плоскости слоя; соотношение толщины верхнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента к толщине нижнего ферромагнитного слоя магниторезистивного элемента составляет не менее 2.This is achieved by the fact that the magnetoresistive spin LED contains a spin LED and a magnetoresistive element arranged in series one above the other, while the spin LED includes a semiconductor part, which is a light-emitting heterostructure including a semiconductor single-crystal gallium arsenide substrate with either n-type or p-type, and a semiconductor buffer layer made of gallium arsenide with either n-type or p-type conductivity, an emitting layer, which is a quantum well, made of a solid solution of the composition In x Ga 1-x As containing In x = 0.05-0.22, and a semiconductor spacer layer made of gallium arsenide, a thin dielectric layer is made above the semiconductor part of the spin LED, and a Schottky ferromagnetic contact made of a ferromagnetic CoPt alloy or a ferromagnetic CoPd alloy, the spin LED is separated from the magnetoresistive element a dielectric a magnetic layer, and a layer of non-magnetic metal, made over the ferromagnetic Schottky contact, a magnetoresistive element is made over the layer of non-magnetic metal, including a buffer layer of chromium, a lower ferromagnetic layer, a non-magnetic layer of copper, an upper ferromagnetic layer, and a protective layer of manganese gallide Mn x Ga 5 (x = 2-3), the base electrode to the substrate, and the dielectric layer, the Schottky ferromagnetic contact and the non-magnetic metal layer are made one above the other in such a way that they form a circular contact with a diameter of 0.05-1 mm, and a region is formed around the contact, isolated from the flow of electric current; in the spin LED, the buffer layer is made with a thickness of 0.1-3 μm, the emitting layer is 1-100 nm thick, the dielectric layer of the spin LED is made with a thickness of 0.5-2 nm; the semiconductor spacer layer is made of either undoped gallium arsenide, or gallium arsenide lightly doped with a donor impurity, or gallium arsenide lightly doped with an acceptor impurity, 5-200 nm thick; the ferromagnetic Schottky contact is made with a thickness of 5-20 nm, and the axis of easy magnetization in the specified layer should lie perpendicular to the plane of the layer; the dielectric layer separating the spin LED from the magnetoresistive element is made with a thickness of 0.5-3 nm; the non-magnetic metal layer is made of copper or gold with a thickness of 5-100 nm; in the magnetoresistive element, the buffer layer is 3-5 nm thick, the lower ferromagnetic layer is 0.1-2 nm thick, the non-magnetic layer is 2-10 nm thick, the upper ferromagnetic layer is 0.2-4 nm thick, the protective layer is 2-10 nm thick; the lower ferromagnetic layer and the upper ferromagnetic layer are made of a ferromagnetic CoFe alloy, the axis of easy magnetization in these layers lies in the plane of the layer; the ratio of the thickness of the upper ferromagnetic layer of the magnetoresistive element to the thickness of the lower ferromagnetic layer of the magnetoresistive element is at least 2.
На фиг. 1 схематически показано (а) - поперечное сечение и (б) - вид сверху предлагаемого магниторезистивного спинового светодиода. FIG. 1 schematically shows (a) a cross-section and (b) a top view of the proposed magnetoresistive spin LED.
На фиг. 2 представлена схема маски для формирования слоёв 5, 6 и 8 - диаметр контактов составляет 0,05-1 мм; расстояние между контактами составляет 0,2-2 мм.FIG. 2 shows a diagram of the mask for the formation of
На фиг. 3 представлена зависимость изменения электрического сопротивления от продольного магнитного поля для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода от продольного магнитного поля. Температура измерений - 10 K. Напряжение на светодиоде - 2 В.FIG. 3 shows the dependence of the change in electrical resistance on the longitudinal magnetic field for the proposed scheme of the magnetoresistive spin LED on the longitudinal magnetic field. Measurement temperature - 10 K. LED voltage - 2 V.
На фиг. 4 представлены графики магнитополевых зависимостей намагниченности для ферромагнитного контакта Шоттки из CoPt для случая поперечного (график I) и продольного (график II) магнитного поля. Температура измерений - 300 K.FIG. 4 shows the graphs of the magnetic field dependences of the magnetization for a ferromagnetic Schottky contact made of CoPt for the case of a transverse (graph I) and longitudinal (graph II) magnetic field. Measurement temperature - 300 K.
На фиг. 5 представлены графики магнитополевых зависимостей для:FIG. 5 shows graphs of magnetic field dependences for:
(а) - изменения интенсивности излучения; (б) - степени циркулярной поляризации для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода; (a) - changes in radiation intensity; (b) - the degree of circular polarization for the proposed scheme of a magnetoresistive spin LED;
графики III и V - для случая поперечного магнитного поля;graphs III and V - for the case of a transverse magnetic field;
графики IV и VI - для случая продольного магнитного поля.plots IV and VI - for the case of a longitudinal magnetic field.
Температура измерений – 10 K. Напряжение, прикладываемое к светодиоду - 3 В, ток светодиода в нулевом магнитном поле - 50 мА.Measurement temperature - 10 K. Voltage applied to the LED - 3 V, LED current in zero magnetic field - 50 mA.
На фиг. 6 представлено пояснение принципа функционирования магниторезистивного спинового светодиода. Зависимости степени циркулярной поляризации от поперечного магнитного поля (график V) и изменения интенсивности излучения от продольного магнитного поля (график IV) для предлагаемой схемы магниторезистивного спинового светодиода. Четыре устойчивых состояния:FIG. 6 is an explanation of the principle of operation of a magnetoresistive spin LED. Dependences of the degree of circular polarization on the transverse magnetic field (graph V) and changes in the radiation intensity on the longitudinal magnetic field (graph IV) for the proposed scheme of a magnetoresistive spin LED. Four steady states:
состояние VII - низкая интенсивность, правая циркулярная поляризация;state VII - low intensity, right-hand circular polarization;
состояние VIII - высокая интенсивность, правая циркулярная поляризация;state VIII - high intensity, right-hand circular polarization;
состояние IX - низкая интенсивность, левая циркулярная поляризация;state IX - low intensity, left-hand circular polarization;
состояние X - высокая интенсивность, левая циркулярная поляризация.state X - high intensity, left-hand circular polarization.
Температура измерений – 10 K.Measurement temperature - 10 K.
На фиг. 7 представлена технологическая схема изготовления магниторезистивного спинового светодиода.FIG. 7 shows a technological scheme for manufacturing a magnetoresistive spin LED.
Конструктивно магниторезистивный спиновый светодиод на фиг. 1 содержит:Structurally, the magnetoresistive spin LED in FIG. 1 contains:
1 - полупроводниковую монокристаллическую подложку; 1 - monocrystalline semiconductor substrate;
2 - полупроводниковый буферный слой светоизлучающей структуры;2 - semiconductor buffer layer of the light-emitting structure;
3 - излучающий слой;3 - emitting layer;
4 - полупроводниковый спейсерный слой;4 - semiconductor spacer layer;
5 - диэлектрический слой - диффузионный барьер для атомов ферромагнитного металла; 5 - dielectric layer - a diffusion barrier for atoms of a ferromagnetic metal;
6 - ферромагнитный контакт Шоттки;6 - ferromagnetic Schottky contact;
7 - диэлектрический слой - диффузионный барьер для атомов Cr; 7 - dielectric layer - diffusion barrier for Cr atoms;
8 - немагнитный промежуточный слой металла;8 - non-magnetic intermediate metal layer;
9 - буферный слой магниторезистивной структуры; 9 - buffer layer of the magnetoresistive structure;
10 - нижний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента; 10 - lower ferromagnetic layer of the magnetoresistive element;
11 - немагнитный слой магниторезистивного элемента; 11 - non-magnetic layer of the magnetoresistive element;
12 - верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента; 12 - upper ferromagnetic layer of the magnetoresistive element;
13 - защитный слой;13 - protective layer;
14 - базовый электрод;14 - base electrode;
15 - изолированная область; 15 - isolated area;
16 - направление протекания тока в структуре;16 - direction of current flow in the structure;
17 - внешнее продольное магнитное поле для управления интенсивностью излучения; 17 - external longitudinal magnetic field to control the intensity of radiation;
18 - внешнее поперечное магнитное поле для управления поляризацией излучения;18 - external transverse magnetic field to control the polarization of radiation;
19 - линии, по которым структура раскалывается на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды.19 - lines along which the structure is split into separate magnetoresistive spin LEDs.
Магниторезистивный спиновый светодиод состоит из спинового светодиода и магниторезистивного элемента, последовательно расположенных друг над другом.A magnetoresistive spin LED consists of a spin LED and a magnetoresistive element arranged in series one above the other.
При этом спиновый светодиод включает полупроводниковую часть, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, включающую полупроводниковую монокристаллическую подложку 1, выполненную из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, прозрачную для инфракрасного излучения данного светодиода, и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буферный слой 2, выполненный из арсенида галлия с проводимостью либо n-типа, либо p-типа, толщиной 0,1-3 мкм, излучающий циркулярно-поляризованный свет слой 3, представляющий собой квантовую яму, выполненный из твёрдого раствора состава InxGa1-xAs с содержанием In x=0,05-0,22, толщиной 1-100 нм, полупроводниковый спейсерный слой 4, выполненный либо из нелегированного арсенида галлия, либо арсенида галлия слабо легированного донорной примесью, либо арсенида галлия, слабо легированного акцепторной примесью, с толщиной слоя 5-200 нм. Путём изменения содержания In x от 0,05 до 0,22 в слое 3 можно управлять длиной волны излучения. При увеличении количества In x больше 0,22 произойдёт релаксация упругих напряжений, что существенно ухудшит излучательные характеристики светодиода. Указанные диапазоны толщин полупроводниковых слоёв 2-4 обеспечивают оптимальные параметры спинового светодиода.In this case, the spin LED includes a semiconductor part, which is a light-emitting heterostructure including a
Также спиновый светодиод включает диэлектрический слой 5, выполненный над полупроводниковой частью из оксида алюминия, толщиной 0,5-2 нм, выполняющий роль диффузионного барьера для атомов ферромагнитного металла и необходимый для повышения спиновой инжекции, и ферромагнитный контакт Шоттки 6, который служит для инжекции спин-поляризованных носителей в излучающий слой 3. Указанный диапазон толщины диэлектрического слоя 5 обеспечивает оптимальные параметры инжекции спин-поляризованных носителей. The spin LED also includes a
Спиновый светодиод отделен от магниторезистивного элемента диэлектрическим слоем 7, выполненным из оксида алюминия, толщиной 0,5-3 нм, выполняющим роль диффузионного барьера для атомов Cr, и слоем немагнитного металла 8 толщиной 5-100 нм. Указанный диапазон толщины слоя 7 обеспечивает эффективный барьер для диффундирующих атомов Cr. Указанный диапазон толщины слоя 8 обеспечивает эффективное предотвращение обменного взаимодействия между слоями 6 и 10. Магниторезистивный элемент включает буферный слой 9, выполненный из хрома, толщиной 3-5 нм, который служит для закрепления намагниченности одного из слоёв и предотвращения диффузии атомов Co, нижний ферромагнитный слой 10, толщиной 0,1-2 нм, немагнитный слой 11, выполненный из меди толщиной 2-10 нм, разделяющий два ферромагнитных слоя магниторезистивного элемента, верхний ферромагнитный слой 12, выполненный толщиной 0,2-4 нм, защитный слой 13, выполненный из галлида марганца толщиной 2-10 нм, который служит для механической защиты и предотвращения окисления структуры. Указанные диапазоны толщин слоёв 9-12 являются оптимальными для работы магниторезистивного элемента. Указанный диапазон толщины слоя 13 обеспечивает эффективную защиту магниторезистивного спинового светодиода от механических повреждений и окисления.The spin LED is separated from the magnetoresistive element by a
Слои 5, 6 и 8 выполнены друг над другом таким образом, что образуют круглый контакт диаметром 0,05-1 мм. Указанный диапазон диаметра контакта является оптимальным для работы магниторезистивного спинового светодиода: отсутствия искажений магнитного поля, снижающих стабильность работы, с одной стороны, и отсутствие значительных токов утечки, снижающих эффективность электролюминесценции, с другой стороны.
В слоях 1-4 в области вокруг контакта выполнена изолированная область 15.In layers 1-4, an
Ферромагнитный контакт Шоттки 6 может быть выполнен из ферромагнитного сплава CoPt, либо ферромагнитного сплава CoPd толщиной 5-20 нм, причем ось лёгкого намагничивания в указанном слое должна лежать перпендикулярно плоскости слоя. Указанный диапазон толщины ферромагнитного контакта Шоттки 6 обеспечивает оптимальные параметры инжекции спин-поляризованных носителей.
Слой 8 служит для предотвращения взаимодействия ферромагнитного контакта Шоттки 6 и нижнего ферромагнитного слоя 10. Слой 8 может быть выполнен из золота или из меди.
Слой 10 толщиной 0,1-2 нм и слой 12 толщиной 0,2-4 нм могут быть выполнены из ферромагнитного сплава CoFe, причём толщина слоёв должна быть различной для задания разной ширины коэрцитивного поля в указанных слоях. Ось лёгкого намагничивания в указанных слоях должна лежать в плоскости слоя.
Предлагаемый магниторезистивный спиновый светодиод в соответствии с технологической схемой, представленной на фиг. 7, изготавливают следующим образом.The proposed magnetoresistive spin LED in accordance with the technological scheme shown in FIG. 7 are made as follows.
На первом этапе выращивают полупроводниковую часть магниторезистивного спинового светодиода, которая представляет собой светоизлучающую гетероструктуру. Для формирования используют метод газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и гидридов (МОС-гидридная эпитаксии - МОСГЭ). Структуры выращивают при атмосферном давлении в потоке водорода, температура выращивания составляет 500-650°C. Для формирования слоёв 2 и 4 из арсенида галлия используют триметилгаллий и арсин. Соотношение потока триметилгаллия к потоку арсина - 1,1-1,8. Для формирования излучающего циркулярно-поляризованный свет слоя 3, представляющего собой квантовую яму, выполненную из твёрдого раствора InxGa1-xAs, используют триметилгаллий, триметилиндий и арсин. Скорость роста слоёв составляет 1-10 А/сек. Для легирования слоёв 2 и 4 из арсенида галлия в процессе роста используют импульсное лазерное распыление мишеней непосредственно в реакторе (для создания арсенида галлия n-типа проводимости использую мишени кремния, для создания арсенида галлия p-типа проводимости используют мишени цинка). Мощность лазера, распыляющего мишени - 105 Вт, длительность импульса - 10 нс, частота лазерных импульсов - 10 Гц, длина волны лазера - 1064 нм.At the first stage, the semiconductor part of the magnetoresistive spin LED is grown, which is a light-emitting heterostructure. For the formation, the method of gas-phase epitaxy from organometallic compounds and hydrides (MOC-hydride epitaxy - MOSGE) is used. The structures are grown at atmospheric pressure in a stream of hydrogen, the growing temperature is 500-650 ° C. For the formation of
Далее структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме для нанесения на поверхность светоизлучающей гетероструктуры ферромагнитных контактов Шоттки, представляющих собой сплав CoPt, либо сплав CoPd, и немагнитной металлической прослойки для предотвращения обменного взаимодействия ферромагнитного контакта Шоттки 6 спинового светодиода и нижнего ферромагнитного слоя 10 магниторезистивного элемента. Рост производят при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр. Сначала на полупроводниковом спейсерном слое 4 выращивают диэлектрический слой 5 из Al2O3 при температуре 150-250°C для предотвращения диффузии атомов ферромагнитного металла и для повышения спиновой инжекции. Далее, при формировании слоя 6 из CoPt при температуре 200-400°C поочередно наносят слои Pt толщиной 0,2-1 нм и слои Co толщиной 0,1-0,8 нм, соотношение толщины слоя Pt к толщине слоя Co - 1,25-2,5, общая толщина пленки составляет 5-20 нм. При формировании слоя 6 из CoPd при температуре 150-400°C поочередно наносят слои Pd толщиной 0,2-1 нм и слои Co толщиной 0,1-0,8 нм, соотношение толщины слоя Pd к толщине слоя Co - 1,25-2,5, общая толщина пленки составляет 5-20 нм. Далее при температуре 50-100°C наносят слой 8 из немагнитного металла, например из меди Cu, или из золота Au, толщиной 5-100 нм. При формировании ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPt рост слоёв производят через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,05-1 мм, отстоящими друг от друга на 0,2-2 мм (фиг. 2). В результате формируют контакты диаметром 0,05-1 мм. При формировании ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPd после формирования слоёв 5 из Al2O3, 6 из CoPd и 8 из Cu или из Au наносят фоторезист, и производят фотолитографию по фотошаблону (фиг. 2). Затем слои 5, 6 и 8 в области вокруг участков, которые закрыты фоторезистом, стравливают, в результате формируют контакты диаметром 0,05-1 мм.Then the structures are transferred from the MOC-hydride epitaxy chamber to the electron-beam evaporation chamber in vacuum to apply on the surface of the light-emitting heterostructure ferromagnetic Schottky contacts, which are CoPt alloy or CoPd alloy, and a non-magnetic metal interlayer to prevent the exchange interaction of the
На следующем этапе, при изготовлении ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPt, контакты закрывают фоторезистом и производят фотолитографию по фотошаблону, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt (фиг. 2). При изготовлении ферромагнитного контакта Шоттки 6 из сплава CoPd дополнительная фотолитография не требуется. Затем с использованием ускорителя в области 15 производят имплантацию ионами He++ с энергией 10-40 кэВ, доза - 1013-1014 см-2. Далее, без удаления фоторезиста, методом электронно-лучевого испарения в вакууме наносят слой 7 из диэлектрика Al2O3. Рост производят при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр и температуре 150-250°C. Проведение имплантации для создания изолированной области 15 и нанесение слоя диэлектрика 7 необходимо для предотвращения растекания тока в полупроводниковой гетероструктуре, а также для создания диффузионного барьера для атомов хрома. После проведения имплантации и нанесения диэлектрика фоторезист удаляют. At the next stage, in the manufacture of the Schottky
На следующем этапе структуру переносят в камеру для электронно-лучевого испарения в вакууме для нанесения магниторезистивного элемента, который состоит из буферного слоя 9 из хрома, двух ферромагнитных слоёв 10 и 12 из сплава кобальта и железа, и немагнитного слоя 11 из меди. Давление остаточных газов в камере составляет 5*10-6 Торр. Буферный слой хрома наносят при температуре 120-200°C, остальные слои магниторезистивного элемента наносятся при температуре 50-100°C. Для нанесения ферромагнитных слоёв магниторезистивного элемента из тигля распыляют сплав Co90Fe10. Нижний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 10 выполняют толщиной 0,1-2 нм, верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 12 выполняют толщиной 0,2-4 нм, причём соотношение толщины слоя 12 к толщине слоя 10 выполняют не менее 2. Для формирования немагнитного слоя 11 толщиной 2-10 нм, разделяющего два ферромагнитных слоя магниторезистивного элемента, из тигля распыляют медь. Далее структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где формируют защитный слой 13 из GaMn методом импульсного лазерного осаждения в вакууме для защиты от повреждений и предотвращения окисления. Рост производят при давлении остаточных газов 10-5-10-6 Торр и температуре 200-400°C. Защитный слой GaMn выполняют толщиной 1-3 нм. Состав слоя соответствует химической формуле MnxGa5 (x=2-3). At the next stage, the structure is transferred to a chamber for electron-beam evaporation in a vacuum to apply a magnetoresistive element, which consists of a
Сформированную структуру раскалывают по линиям 19 (фиг. 2) на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды таким образом, чтобы на каждом из них был один контакт.The formed structure is split along lines 19 (Fig. 2) into separate magnetoresistive spin LEDs so that each of them has one contact.
На последнем этапе к каждому магниторезистивному спиновому светодиоду формируют базовый электрод 14, выполненный в виде омического контакта к подложке из Sn или любого другого материала, обеспечивающего омические свойства.At the last stage, a
Полученный магниторезистивный спиновый светодиод работает следующим образом.The resulting magnetoresistive spin LED operates as follows.
На верхний ферромагнитный слой магниторезистивного элемента 12 подается прямое по отношению к базовому электроду 14 электрическое напряжение, в результате чего через магниторезистивный спиновый светодиод протекает электрический ток 16. При этом носители заряда протекают через слои 9-12 магниторезистивного элемента и слои 4-8 спинового светодиода, ограниченные изолированной областью 15, в излучающий слой 3, рекомбинируют с носителями противоположного знака из подложки 1 с испусканием неполяризованного излучения (фиг. 1). Вывод излучения производится через подложку 1 магниторезистивного спинового светодиода (фиг. 1). The upper ferromagnetic layer of the
При введении магниторезистивного спинового светодиода в продольное магнитное поле 17, направленное вдоль поверхности слоёв структуры, сопротивление магниторезистивного элемента и, соответственно, всего магниторезистивного спинового светодиода изменится, максимальная величина изменения сопротивления составляет 4,3 % при температуре 10 K (фиг. 3). Варьирование сопротивления магниторезистивного элемента изменит величину электрического тока через структуру, а следовательно, и интенсивность излучения, максимальная величина изменения интенсивности электролюминесценции составляет 25% (графиком IV на фиг. 5(а)). При этом, приложение продольного магнитного поля практически не влияет на намагниченность ферромагнитного контакта Шоттки 6 (график II на фиг. 4) и, соответственно, не влияет на степень циркулярной поляризации магниторезистивного спинового светодиода (график VI на фиг. 5 (б)).When a magnetoresistive spin LED is introduced into the longitudinal
При введении структуры во внешнее поперечное магнитное поле 18 (направленное перпендикулярно поверхности слоёв структуры) намагничивается до насыщения ферромагнитный контакт Шоттки 6 (график I на фиг. 4). В результате в режиме электролюминесценции осуществляется инжекция спин-поляризованных носителей заряда из ферромагнитного контакта Шоттки 6 в излучающий слой 3 и рекомбинация с испусканием циркулярно-поляризованного излучения, максимальная величина степени циркулярной поляризации составляет 1,3% (график V на фиг. 5 (б)). When the structure is introduced into an external transverse magnetic field 18 (directed perpendicular to the surface of the structure layers), the Schottky
Меняя направление магнитного поля на противоположное, можно, перемагнитить ферромагнитный контакт Шоттки 6 и изменить знак циркулярной поляризации. В результате этого, светодиод будет испускать преимущественно право- или лево-циркулярно поляризованное излучение. Значение степени циркулярной поляризации электролюминесценции рассчитывается в соответствии с соотношением:By changing the direction of the magnetic field to the opposite, it is possible to re-magnetize the
PЭЛ = (I(σ+) - I(σ-)) / (I(σ+) + I(σ-)),P EL = (I (σ + ) - I (σ - )) / (I (σ + ) + I (σ - )),
где PЭЛ - степень циркулярной поляризации, I(σ+) и I(σ-) - интенсивности излучения, поляризованного по левому и правому кругу соответственно. При этом приложение поперечного магнитного поля не влияет на интенсивность излучения магниторезистивного спинового светодиода (график III на фиг. 5 (а)).where P EL is the degree of circular polarization, I (σ + ) and I (σ - ) are the intensities of radiation polarized along the left and right circles, respectively. In this case, the application of a transverse magnetic field does not affect the radiation intensity of the magnetoresistive spin LED (graph III in Fig. 5 (a)).
Интенсивность излучения может независимо управляться продольным магнитным полем, а степень циркулярной поляризации может независимо управляться поперечным магнитным полем. В итоге магниторезистивный спиновый светодиод имеет не два управляемых дискретных состояния, соответствующих логическому нулю и единице (высокая и низкая интенсивность или право- и лево-циркулярно поляризованное излучение), а четыре независимо варьируемых состояния (высокая интенсивность с право- и лево-циркулярно поляризованным излучением и низкая интенсивность с право- и лево-циркулярно поляризованным излучением), причём интенсивность излучения будет изменяться продольным магнитным полем, а знак поляризации - перпендикулярным магнитным полем (фиг. 6).The radiation intensity can be independently controlled by the longitudinal magnetic field, and the degree of circular polarization can be independently controlled by the transverse magnetic field. As a result, a magnetoresistive spin LED has not two controllable discrete states corresponding to logical zero and one (high and low intensity or right and left circularly polarized radiation), but four independently varying states (high intensity with right and left circularly polarized radiation and low intensity with right- and left-circularly polarized radiation), and the radiation intensity will change by the longitudinal magnetic field, and the polarization sign - by the perpendicular magnetic field (Fig. 6).
В отличие от ближайшего аналога, в котором возможно задание только двух устойчивых состояний - высокая и низкая интенсивность излучения, в магниторезистивном спиновом светодиоде возможно задание любого из четырёх устойчивых состояний - высокая интенсивность излучения с правой циркулярной поляризацией, высокая интенсивность излучения с левой циркулярной поляризацией, низкая интенсивность излучения с правой циркулярной поляризацией, низкая интенсивность излучения с левой циркулярной поляризацией. Также, в отличие от аналога, в котором изменение интенсивности электролюминесценции составляет ~1%, в магниторезистивном спиновом светодиоде изменение интенсивности электролюминесценции составляет ~25%.Unlike the closest analogue, in which only two stable states can be specified - high and low radiation intensity, in a magnetoresistive spin LED it is possible to specify any of four stable states - high radiation intensity with right-hand circular polarization, high radiation intensity with left-hand circular polarization, low intensity of radiation with right-hand circular polarization, low intensity of radiation with left-hand circular polarization. Also, in contrast to the analogue, in which the change in the electroluminescence intensity is ~ 1%, in a magnetoresistive spin LED, the change in the electroluminescence intensity is ~ 25%.
Таким образом, использование магниторезистивного спинового светодиода позволяет в два раза увеличить информационную ёмкость.Thus, the use of a magnetoresistive spin LED makes it possible to double the information capacity.
Ниже представлены примеры конкретного осуществления изобретения.Below are examples of specific implementation of the invention.
Пример 1.Example 1.
Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 650°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из n-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из n-GaAs толщиной 0,9 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы InxGa1-xAs (x=0,2) толщиной 10 нм, спейсерный слой 4 из i-GaAs толщиной 60 нм.By the method of MOCVD-hydride epitaxy at atmospheric pressure in a hydrogen flow at a temperature of 650 ° C, the following layers are grown on a semiconductor single-
Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из Al2O3 толщиной 1 нм выращивают при температуре 150°C, слой 6 из CoPt толщиной 10 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pt толщиной 0,5 нм и слоёв Co толщиной 0,3 нм при температуре 200°C, слой 8 из Au толщиной 10 нм выращивают при температуре 100°C. Слои 5, 6 и 8 выращивают через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,5 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.The structures are transferred from the MOC-hydride epitaxy chamber to the electron-beam evaporation chamber in vacuum, where the following layers are grown at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr:
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме, полученные контакты закрывают фоторезистом через фотошаблон, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt.The structures are removed from the electron beam evaporation chamber in vacuum, the resulting contacts are covered with a photoresist through a photomask, the scheme of which coincides with the mask for applying CoPt contacts.
Производят имплантацию ионами He++(энергия 30 кэВ, доза 1014 см-2) для создания изолированной области 15.Implantation is performed with He ++ ions (
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр и температуре 150°C наносят слой 7 из Al2O3 толщиной 2 нм.The structures are transferred to an electron-beam evaporation chamber in a vacuum, where at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr and a temperature of 150 ° C, a
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист. The structures are removed from the vacuum electron beam evaporation chamber and the photoresist is removed.
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 3 нм выращивают при температуре 120°C; нижний ферромагнитный слой 10 из Co90Fe10 толщиной 1,5 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 3,7 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из Co90Fe10 толщиной 3 нм выращивают при температуре 100°C.The structures are transferred to an electron-beam evaporation chamber in a vacuum, where the following layers are grown at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr: a 3-nm-thick
Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10-6 Торр и температуре 250°C формируют защитный слой 13 из Ga2Mn5 толщиной 3 нм. The structures are transferred from the chamber for electron-beam evaporation to the chamber for pulsed laser deposition, where at a residual gas pressure of 10 -6 Torr and a temperature of 250 ° C, a
Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.The structures are removed from the pulsed laser deposition chamber, split into separate magnetoresistive spin LEDs, and a
Пример 2.Example 2.
Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 600°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из n-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из n-GaAs толщиной 1 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы InxGa1-xAs (x=0,15) толщиной 15 нм, спейсерный слой 4 из i-GaAs толщиной 40 нм.By the method of MOCVD-hydride epitaxy at atmospheric pressure in a hydrogen flow at a temperature of 600 ° C on a semiconductor single-
Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из Al2O3 толщиной 1,5 нм выращивают при температуре 200°C, слой 6 из CoPt толщиной 20 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pt толщиной 0,5 нм и слоёв Co толщиной 0,2 нм при температуре 250°C, слой 8 из Au толщиной 20 нм выращивают при температуре 100°C. Слои 5, 6 и 8 выращивают через маску, которая представляет собой область с кругами диаметром 0,46 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.The structures are transferred from the MOC-hydride epitaxy chamber to the electron-beam evaporation chamber in vacuum, where at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr, the following layers are grown:
Полученные контакты закрывают фоторезистом через фотошаблон, схема которого совпадает с маской для нанесения контактов CoPt.The obtained contacts are covered with a photoresist through a photomask, the scheme of which coincides with the mask for applying CoPt contacts.
Производят имплантацию ионами He++(энергия 40 кэВ, доза 1014 см-2) для создания изолированной области 15.Implantation is performed with He ++ ions (energy 40 keV, dose 10 14 cm -2 ) to create an
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр и температуре 200°C наносят слой 7 из Al2O3 толщиной 2,5 нм.The structures are transferred to an electron beam evaporation chamber in a vacuum, where at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr and a temperature of 200 ° C, a
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист. The structures are removed from the vacuum electron beam evaporation chamber and the photoresist is removed.
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 5 нм выращивают при температуре 150°C; нижний ферромагнитный слой 10 из Co90Fe10 толщиной 1 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 4 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из Co90Fe10 толщиной 2 нм выращивают при температуре 80°C.The structures are transferred to an electron beam evaporation chamber in a vacuum, where the following layers are grown at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr: a
Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10-6 Торр и температуре 200°C формируют защитный слой 13 из Ga3Mn5 толщиной 2 нм.The structures are transferred from the chamber for electron-beam evaporation to the chamber for pulsed laser deposition, where at a residual gas pressure of 10 -6 Torr and a temperature of 200 ° C, a
Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.The structures are removed from the pulsed laser deposition chamber, split into separate magnetoresistive spin LEDs, and a
Пример 3.Example 3.
Методом МОС-гидридной эпитаксии при атмосферном давлении в потоке водорода при температуре 600°C на полупроводниковой монокристаллической подложке 1 из p-GaAs выращивают следующие слои: буферный слой 2 из p-GaAs толщиной 0,8 мкм, излучающий слой 3, выполненный в виде квантовой ямы InxGa1-xAs (x=0,22) толщиной 10 нм, спейсерный слой 4 из n-GaAs толщиной 90 нм.By the method of MOCVD-hydride epitaxy at atmospheric pressure in a hydrogen flow at a temperature of 600 ° C on a semiconductor single-
Структуры переносят из камеры МОС-гидридной эпитаксии в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр производят рост следующих слоёв: слой 5 из Al2O3 толщиной 1 нм выращивают при температуре 200°C, слой 6 из CoPd толщиной 20 нм, который выращивают поочередным нанесением слоёв Pd толщиной 0,4 нм и слоёв Co толщиной 0,2 нм при температуре 200°C, слой 8 из Au толщиной 10 нм выращивают при температуре 80°C. После формирования слоёв 5 из Al2O3, 6 из CoPd и 8 из Cu Au производят фотолитографию через фотошаблон. Затем слои 5, 6 и 8 в области вокруг участков, которые закрыты фоторезистом, стравливают, в результате формируют контакты диаметром 0,5 мм, отстоящими друг от друга на 1 мм.The structures are transferred from the MOC-hydride epitaxy chamber to the electron-beam evaporation chamber in vacuum, where at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr, the following layers are grown:
Производят имплантацию ионами He++ (энергия 40 кэВ, доза 8*1013 см-2) для создания изолированной области 15.Implantation is performed with He ++ ions (energy 40 keV,
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр и температуре 200°C наносят слой 7 из Al2O3 толщиной 3 нм.The structures are transferred to an electron-beam evaporation chamber in a vacuum, where at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr and a temperature of 200 ° C, a
Структуры достают из камеры электронно-лучевого испарения в вакууме и удаляют фоторезист.The structures are removed from the vacuum electron beam evaporation chamber and the photoresist is removed.
Структуры переносят в камеру электронно-лучевого испарения в вакууме, где при давлении остаточных газов 5*10-6 Торр выращивают следующие слои: буферный слой 9 из Cr толщиной 4 нм выращивают при температуре 150°C; нижний ферромагнитный слой 10 из Co90Fe10 толщиной 2 нм, немагнитный слой 11 из Cu толщиной 5 нм, верхний ферромагнитный слой 12 из Co90Fe10 толщиной 4 нм выращивают при температуре 100°C.The structures are transferred to an electron-beam evaporation chamber in a vacuum, where the following layers are grown at a residual gas pressure of 5 * 10 -6 Torr: a
Структуры переносят из камеры для электронно-лучевого испарения в камеру для импульсного лазерного осаждения, где при давлении остаточных газов 10-6 Торр и температуре 300°C формируют защитный слой 13 из Ga2Mn5 толщиной 2 нм.The structures are transferred from the chamber for electron-beam evaporation to the chamber for pulsed laser deposition, where at a residual gas pressure of 10 -6 Torr and a temperature of 300 ° C, a
Структуры достают из камеры импульсного лазерного осаждения, раскалывают на отдельные магниторезистивные спиновые светодиоды и формируют базовый электрод 14 к подложке каждого из них.The structures are removed from the pulsed laser deposition chamber, split into separate magnetoresistive spin LEDs, and a
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020128561A RU2748909C1 (en) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | Magnetoresistive spin led |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020128561A RU2748909C1 (en) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | Magnetoresistive spin led |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2748909C1 true RU2748909C1 (en) | 2021-06-01 |
Family
ID=76301346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020128561A RU2748909C1 (en) | 2020-08-27 | 2020-08-27 | Magnetoresistive spin led |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2748909C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120085987A1 (en) * | 2010-10-12 | 2012-04-12 | Industrial Technology Research Institute | Light emitting device |
| CN105938865A (en) * | 2016-07-16 | 2016-09-14 | 王星河 | Nitride light-emitting diode and manufacturing method thereof |
| US9799842B2 (en) * | 2012-07-05 | 2017-10-24 | University Of Utah Research Foundation | Spin-polarized light-emitting diodes based on organic bipolar spin valves |
| CN109904291A (en) * | 2019-02-13 | 2019-06-18 | 湖北大学 | A kind of spin electric device and preparation method thereof, regulation method |
-
2020
- 2020-08-27 RU RU2020128561A patent/RU2748909C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120085987A1 (en) * | 2010-10-12 | 2012-04-12 | Industrial Technology Research Institute | Light emitting device |
| US9799842B2 (en) * | 2012-07-05 | 2017-10-24 | University Of Utah Research Foundation | Spin-polarized light-emitting diodes based on organic bipolar spin valves |
| CN105938865A (en) * | 2016-07-16 | 2016-09-14 | 王星河 | Nitride light-emitting diode and manufacturing method thereof |
| CN109904291A (en) * | 2019-02-13 | 2019-06-18 | 湖北大学 | A kind of spin electric device and preparation method thereof, regulation method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3393510B2 (en) | Polarized light emission by decay or recombination of injected spin-polarized carriers | |
| KR101662202B1 (en) | Light emitting device | |
| Ramsteiner et al. | Electrical spin injection from ferromagnetic MnAs metal layers into GaAs | |
| Manago et al. | Spin-polarized light-emitting diode using metal/insulator/semiconductor structures | |
| KR100603057B1 (en) | Cicular polarization spin semiconductor laser using magnetic semiconductor and laser beam generating method | |
| US5962905A (en) | Magnetoresistive element | |
| Dorokhin et al. | Emission properties of InGaAs/GaAs heterostructures with δ⟨ Mn⟩-doped barrier | |
| Ghosh et al. | Surface-emitting spin-polarized In 0.4 Ga 0.6 As/GaAs quantum-dot light-emitting diode | |
| KR101618771B1 (en) | Flip-chip type light emitting device comprising magnetic layer and method for fabricating the same | |
| RU2748909C1 (en) | Magnetoresistive spin led | |
| RU2746849C1 (en) | Method of manufacturing a magneto-resistive spin led (options) | |
| JP3364655B2 (en) | Semiconductor optical device | |
| US20120085987A1 (en) | Light emitting device | |
| Bhattacharya et al. | An electrically injected quantum dot spin polarized single photon source | |
| RU2400866C1 (en) | Light-emitting diode | |
| US6993056B2 (en) | Hetero laser and light-emitting source of polarized radiation | |
| Ved et al. | Fabrication and luminescent properties of (In, Fe) Sb/GaAs/InGaAs diodes | |
| WO2009107627A1 (en) | Circularly polarized light-emitting device | |
| Buyanova et al. | Optical and electrical characterization of (Ga, Mn) N/InGaN multiquantum well light-emitting diodes | |
| Schmidt et al. | Electrical spin injection: spin-polarized transport from magnetic into non-magnetic semiconductors | |
| Ramsteiner | Electrical spin injection from ferromagnetic metals into GaAs | |
| JP7175502B2 (en) | circularly polarized light emitting diode | |
| Kayanuma et al. | Spin transport dynamics of excitons in CdTe/Cd 1− x Mn x Te quantum wells | |
| Dorokhin et al. | GaMnSb/InGaAs/GaAs heterostructure leds with a ferromagnetic injector layer | |
| Danilov et al. | Fabrication and Study of Spin Light-Emitting Nanoheterostructures on the Basis of III-V Semiconductors |