Туннельные процессы в сверхрешётках на основе ферромагнитных полупроводников

Среди наиболее перспективных направлений исследований в физике полупроводников является изучение условий и возможностей переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнетика в парамагнетик. Научный и практический интерес в последнее время здесь сосредоточился на гетероструктурах, содержащих ферромагнитные полупроводники (ФП), к которым относят соединения Ъс1- и 4/-металлов, обладающих ферромагнитным упорядочением при полупроводниковом характере проводимости. В них наблюдается сильная взаимозависимость магнитной и электронной подсистем, что способствует целенаправленному управлению различными параметрами ФП с помощью внешних электрического и магнитного полей. Перспективы по расширению функциональных возможностей различных устройств микроэлектроники, базирующихся на ФП, и привлекают физиков и практиков. В таких полупроводниках (ЕиО, ЕиБ и т. д.) носители тока почти максимально поляризованы по спину, так как они находятся в обменном поле —101 Гс, о I созданном 4/ - электронами ионов Ей, которые имеют рекордные для ферромагнетиков магнитные моменты в состоянии насыщения 7//й).

Теоретические расчёты и практические разработки в области наноразмерных ферромагнитных гетеросистем, содержащих ФП, могут существенно расширить диапазон исследований твердотельных структур и заложить основы для разработки новых устройств для спинтроники, и, в частности, спиновой информатики. Здесь одной из важных теоретических задач является исследование механизмов спинового транспорта, в частности, резонансного туннелирования сквозь ферромагнитные барьеры типа ЕиБ с учётом неупругих взаимодействий, например, между магнонами и просачивающимися электронами, с учётом ориентации спина у последних. Эта задача пересекается с одной из наиболее интересных проблем в физике ФП: изучением процессов электрон-магнонного взаимодействия в них [1−6].

Под гетероструктурой обычно понимается искусственная структура, образованная группой полупроводниковых кристаллов (двух и более), различных по химическому составу. Подобные структуры, полученные методами тонкоплёночного напыления на изоляционную' или металлическую подложку, получили название мультислойных гетероструктур (мультислоёв). Использование напылительной техники позволяет добиться существенной миниатюризации электронных устройств. Созданию элементной базы современных микроэлектронных структур способствовало появление метода молекулярно-лучевой эпитаксии, позволившего создавать строго периодические структуры с заданными параметрами слоев.

Туннельная прозрачность (ТП) многослойных систем подразумевает проникновение носителей тока сквозь потенциальные барьеры сверхрешётки (СР), образуемые широкозонными полупроводниками. Дополнительный периодический потенциал СР, связанный с разрывами зон на гетерограницах, приводит к дроблению исходной зоны проводимости (для электронов) и валентной зоны (для дырок) на минизоны. Их ширина определяется вероятностью туннелирования носителей из ямы в яму.

Проницаемость барьеров приводит к наблюдению резонансных эффектов, используемых в туннельных структурах. Среди большого количества микроэлектронных устройств, структурными элементами которых являются системы туннельных барьеров, особое место занимают мультислои на основе ферромагнитных материалов [7−13]. В СР на их основе помимо квантоворазмерных эффектов, наблюдаемых в системах пониженной размерности, возникают явления, связанные с магнитными свойствами составляющих компонент.

Стимулом исследования магнитных наноструктур является идея о создании новых магнитных наноматериалов для сверхплотной записи и хранения информации. Дальнейшее изучение магнитных наноструктур привело в открытию нового явления — туннелирования магнитного момента в многослойных системах [14−15].

Сегодня изучение магнитного и магнитооптического взаимодействия в полупроводниковых наногетероструктурах, динамики и когерентных свойств спинов в конденсированных средах, а так же квантовых магнитных явлений в структурах нанометрового размера является основными теоретическими задачами спиновой электроники.

При этом ФП позволяют получать спин-поляризованный ток носителей, достигая почти 100% [16−18]. Например, при использовании в качестве инжектора спин-поляризованных электронов ФП ЕиО была экспериментально получена степень поляризации 85% [19], а теоретические оценки достигают до 96% и ограничиваются естественным размытием функции распределения Ферми на «хвосте» плотности состояний электронов. Приведенные свойства играют определяющую роль в выборе материалов для туннельных спинтронных устройств. Практическое применение этих явлений связано задачей анализа транспортных свойств, и в первую очередь туннельной прозрачности, используемой гетероструктуры. Таким образом, среди материалов для конструирования туннельных спинтронных структур можно выделить гетероструктуры на основе халькогенидов редкоземельных элементов, например, таких как ЕиЗ/РЬБ, Еи8/8т8. Интерес к гетеросистемам типа Еи8/РЬ8 (Еи8/8т8) вызван возможностью получения спин-поляризованного транспорта высокой плотности через ферромагнитный барьер сульфида европия, указанной впервые в работах [20−25]. Материалы составляющих согласуются по постоянным решёток и типу симметрии, поэтому в таких системах не происходит релаксации гетерограницы, не образуется дислокаций несоответствия и отражение от гетерограницы зеркальное [26]. Отсутствие рассеяния электрона с изменением направления спина на подобных дефектах, приводит к высоким значениям длины свободного пробега спина.

В мультислоях, содержащих ферромагнитный барьер, вероятность рассеивания электронов со спином, параллельным направлению намагниченности ферромагнетика, меньше, чем для электронов со спином, направленным антипараллельно намагниченности. Когда намагниченность носителя противоположна направлению (антипараллельна) ферромагнетика, спин-поляризованные носители, рассеиваются на границе раздела, вызывая рост сопротивления. Напротив, одинаковое направление магнитных моментов носителей и ФП слоя гарантирует идентичность спин-поляризации инжектируемых электронов и электронных состояний в следующем ферромагнитном слое. Таким образом, рассеивание носителей на границах раздела минимизировано, что соответствует самому низкому вертикальному сопротивлению структуры. Толщину слоёв, как правило, выбирают исходя из того, чтобы в каждом слое расстояние, на котором электрон сохраняет определённую ориентацию спина, было бы намного больше толщины этого слоя. Такое условие обычно хорошо выполняется при толщинах менее 10 нм. Электрон должен иметь возможность пройти через множество слоёв, прежде чем ориентация его спина изменится. В пределах этой длины каждая магнитная граница раздела может действовать как фильтр для спина. Чем больше количество границ раздела, с которыми взаимодействует электрон, тем сильнее эффект фильтрования [27−28].

Появление и развитие спиновой электроники базируется на осуществлении спинового токопереноса (спин-поляризованного тока) между элементами электронных устройств. Для этого требуется наличие в аппаратуре достаточно громоздких устройств для создания внешних магнитных полей, способствующих ориентации по спину носителей заряда или их фильтрации при токопереносе, либо наличие в самой гетероструктуре твердотельного источника спин-поляризованных электронов: спинового фильтра или спинового инжектора. Первое неприемлемо по определению. Второе и требует введение в гетероструктуру ферромагнетика, который и является спиновым источником при создании устройств магнитомикроэлектроники.

Обычно процесс туннелирования носителей тока через ферромагнитные барьеры рассматривается на упрощённой модели, суть которой заключается в том, что в немагнитный барьер вносится магнитная примесь замещением малой доли ионов магнитными. СР на основе полумагнитных полупроводников предлагаются для спинтроники, например, Сс^СОдЗе, Оа^^Мп^Аэ, РЬ^ЕцДе и другие. Ферромагнитные свойства магнитных и полумагнитных полупроводников обеспечиваются 3с1- переходными или 4/-редкоземельными элементами оболочки.

Особый случай представляет Еи8 в гетероструктурах ЕиЭ/РЬЗ, ЕиБ/ЗтБ. В Еи8 расщепление /^полосы за счёт внутреннего обменного взаимодействия происходит таким образом, что все семь электронов, заполняющие нижние подоболочки 4/г каждого иона Ей", упорядоченные ферромагнитно, образуют узкую зону в барьерном слое (запрещённой зоне), пустые 4/[-подоболочки находятся в зоне проводимости. При образовании соединений на основе редкоземельного Ей" 4/:оболочки не перекрываются друг с другом, а образуют локализованные состояния с концентрацией и~1021 см" 3 (радиус 4/-оболочки а0 ~ 0,03 нм, что составляет ~ 0,1.

О | межатомного расстояния Ей). Находясь в запрещённой энергетической зоне полупроводника, 4/-уровни могут выступать в качестве «донорных примесных уровней» [29]. Этот факт является уникальным, так как в обычных стандартных полупроводниках такую концентрацию примесных уровней принципиально создать не удаётся, и указывает на перспективность применения халькогенидов редкоземельных элементов. Расчёты минизонной структуры, выполненные в работах [30−34] для СР на основе Еи8, привели к выводу о наличии закрытых квантовых ям в слое сульфида европия. Составляющий слой ЕиЭ одновременно оказывался и барьером, и квантовой ямой (областью разрешённых значений энергии), образованной 4/7-полосой, находящейся в запрещённой зоне (вследствие этого закрытой).

Меняя толщину слоев ЕиБ (барьеров) можно изменить ширину минизон в закрытых ямах, а с изменением ширины ям (в слое РЬБ) возможен подбор необходимого положения минизон в квантовых ямах. Закрытая квантовая яма в слое ЕиБ может служить объектом исследования коллективных возбуждений фононов, магнонов, поляронов и других. Эти взаимодействия необходимо учитывать при построении модели спинового токопереноса в гетероструктурах на основе ФП.

Объектом исследования настоящей работы являются гетеросистемы на основе изоструктурной гетеропары ферромагнитный полупроводникпарамагнитный полупроводник — гетеросистемы на основе моносульфида европия.

Предмет исследования — туннельные процессы и транспортные свойства в гетеросистемах на основе моносульфида европия.

Цель исследования — расчёт туннельной прозрачности сверхрешёток на основе ФП Еи8, анализ и оценка вкладов упругого и неупругого резонансного туннелирования через такие гетероструктуры. Основные задачи:

1. Моделирование процесса туннелирования в сверхрешётке БиЭ/РЬБ.

2. Расчёт резонансной туннельной прозрачности гетероструктуры Еи8/РЬ8.

3. Расчёт упругого и неупругого резонансного туннелирования в гетероструктуре.

4. Моделирование процесса взаимодействия носителей тока в ферромагнитных барьерах в гетероструктуре Еи8/РЬ8.

5. Оценка вкладов неупругих каналов взаимодействия в резонансную туннельную прозрачность.

6. Анализ поведения наблюдаемых характеристик при туннелировании через слои Ей 8.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях: впервые предложена модель взаимодействия спинполяронов с магнонами в гетероструктурах типа Еи8/РЬ8 в барьерных слоях ферромагнитного сульфида европияпроведён расчёт резонансной туннельной прозрачности гетероструктуры Еи8/РЬ8- впервые предложен расчёт неупругих каналов туннельной прозрачности с учётом магнитополяронного сдвига резонансных уровней для сверхрешёток на основе ферромагнитных полупроводниковоценен вклад неупругих каналов в процесс резонансного туннелирования в гетероструктуре ЕиБ/РЬЗ.

Предложенная модель может быть использована для расчётов транспортных свойств сверхрешёток на основе ферромагнитных полупроводников, а рассмотренная гетероструктура в качестве материалов для магнитомикроэлектроники.

Структура работы следующая:

— введение,.

Общие выводы.

В заключении подведём итоги настоящей работы. Исследовались процессы туннелирования в сверхрешётках на основе ферромагнитных полупроводников. В качестве материала выбрана гетеросистема на основе изоструктурной гетеропары ферромагнитный полупроводник парамагнитный полупроводник — ЕиБ/РЬЗ, гетероструктура и сверхрешётка на её основе.

1. Проведены расчёты туннельной прозрачности гетероструктуры на основе ЕиБ, выделено влияние упругого и неупругого взаимодействия на процесс. Туннелирование подвижных носителей спина в поле, созданном /электронами магнитных ионов Ей24″ приводит к открытию неупругих каналов туннелирования, и резонансная кривая имеет двухпиковый профиль.

2. Впервые предложена модель взаимодействия спинполяронов с магнонами в гетероструктурах типа ЕиЗ/РЬБ в барьерных слоях ферромагнитного сульфида европия, которая позволила математически описать процесс туннелирования электрона через ферромагнитный слой.

3. Проведён расчёт резонансной туннельной прозрачности гетероструктуры Еи8/РЬ8. В результате получено, что связывание электрона и магнона в состояние поляронного типа, приводит к существенному размытию резонансной линии ТП.

4. Впервые предложен расчёт неупругих каналов туннельной прозрачности с учётом магнитополяронного сдвига резонансных уровней для сверхрешёток на основе ферромагнитных полупроводников. Его значение зависит от величины спинполярон-магнонного взаимодействия. Это приводит к существенному уширению резонанса, интенсивность крыльев резонансной кривой возрастает, а положение резонансного пика смещается в соответствии с ростом магнитополяронного сдвига, сохраняя при этом интегральную интенсивность кривой.

5. Оценен вклад неупругих каналов в процесс резонансного туннелирования в гетероструктуре Еи8/РЬ8. Взаимодействие спинов в барьере приводит к тому, что резонансное значение энергии электронного состояния £/а испытывает поляронный сдвиг. При этом гибридизация зонных состояний и магнонов эффективно происходит в /-полосе энергий Г ~ 0,7 эВ, центр которой совпадает с резонансным значением £/а. Это приводит к сужению электронной зоны и соответствующему росту эффективной массы носителя. Потеря энергии в процессе прохождения электроном барьера, определяется величиной магнитополяронного сдвига. При этом время туннелирования электрона может увеличиваться до Ю-8 с .

6. Предложен эксперимент по резонансному туннелированию через Еи8-барьер, сделана оценка влияния электрон-магнонного взаимодействия на поведение вольт-амперных характеристик и проводимости туннельного контакта из Еи8.

Новые принципы функционирования микроэлектронных устройств обсуждаются в связи с возможностью создания приборов, использующих спин-поляризованный транспорт. Проблема осуществления спинового токопереноса в твердотельной электронике является предметом исследований гетероструктур на основе ферромагнитных полупроводников.

В сверхрешётке, образованной периодическим повторением тонких слоев материалов РЬБ и ЕиБ, электроны туннелируют через барьеры ферромагнитного ЕиЭ. Вероятность прохождения носителей тока в гетеросистеме, обусловленная спиновым расщеплением зоны проводимости Еи8 и резонансным вкладом 4/ -состояний магнитных ионов, обнаруживает фильтрующие свойства по отношению к ориентации спина электронов, поступающих из РЬ8. Такие свойства находят применение в спиновых вентилях, клапанах, транзисторах, а сама рассматриваемая гетероструктура может быть предложена в качестве основы для изготовления этих устройств [102−103, 109].

Процесс туннелирования через барьерные слои сульфида европия в гетероструктурах Еи8/РЬ8 может быть как резонансным, так и нерезонансным. В случае, когда энергия подвижных носителей совпадает с положением нижней 4/-полосы в Еи8, просачиваться будут преимущественно электроны с направлениями спинов, параллельными намагниченности барьера, создающими обменное поле, флуктуирующем независимо от ориентации спинов туннелирующих электронов, в котором движется туннелирующий электрон, и движение будет резонансным. Время туннелирования может принимать значения от Ю-14 до 10~8с. Резонансная прозрачность барьера качественно зависит от характерной частоты флуктуаций обменного поля по отношению к невозмущённой полуширине резонансного пика Г. В случае медленных флуктуаций электрон туннелирует при фактически неизменном во времени обменном поле, туннелирование является квазиупругим, зависимость вероятности туннелирования от энергии электрона определяется вероятностью соответствующего сдвига резонансного уровня и в результате прозрачность имеет двухпиковую структуру, определяемую видом плотности состояний локализованного электрона в Еи8. Туннелирование становится неупругим в случае, когда время туннелирования становится меньше времени флуктуаций внутреннего обменного поля и прозрачность приобретает вид одного пика с лоренцевским профилем.

Однако, как показано, резонансное туннелирование, являясь достаточно медленным процессом, несомненно, влияет на спиновую волну внутри барьера, и этот процесс взаимодействия удобно рассматривать как взаимодействие туннелирующего электрона с магноном. Это взаимодействие приводит к размытию резонансной линии Т^Е) и открытию неупругих каналов резонансного туннелирования, не изменяя при этом его интегральной интенсивности. Резонансное значение энергии электрона изменяется с ростом магнитополяронного сдвига, энергии, идущей на образование и перемещение в барьере спинполярона (комплекса туннелирующий электрон + спиновое окружение). Эффективная масса такого носителя возрастает, а зона сужается.

При учёте взаимодействия спинполярона с магноном резонансная кривая имеет двухпиковый профиль, однако вклад неупругих каналов туннелирования, значительно превышает вклад упругих.