Арсенид галлия и марганца

Как и другие магнитные полупроводники^[6], (Ga,Mn)As образуется путём легирования обычного полупроводника магнитными элементами. Для этого используется технология молекулярно-лучевой эпитаксии, с помощью которой кристаллические структуры могут быть выращены с точностью до одного атомного слоя. В (Ga,Mn)As марганец замещает атомы галлия, расположенные в узлах кристалла GaAs, что обеспечивает появление магнитного момента. Поскольку марганец имеет низкую растворимость в GaAs, внедрить его в больших количествах в арсенид галлия для появления ферромагнитных свойств оказывается сложной задачей. При использовании молекулярно-лучевой эпитаксии для получения качественной структуры материала температура подложки, называемая температурой роста, обычно составляет ~600 °C. Однако, при такой температуре при интенсивном потоке марганца вместо его включения в материал матрицы происходит сегрегация, и атомы марганца скапливаются на поверхности, образуя комплексы с атомами мышьяка^[7]. Эту проблему преодолели, используя технологию низкотемпературной молекулярно-лучевой эпитаксии. В случае арсенида индия и марганца (In,Mn)As было обнаружено^[8], что при неравновесном росте кристаллов можно успешно вводить более высокие концентрации легирующих примесей, что и было впоследствии использовано для (Ga,Mn)As^[9]. Более низкая температура выращивания, порядка 250 °C, достаточна для формирования качественного монокристаллического сплава, но слишком мала для возникновения сегрегации из-за недостатка тепловой энергии^[10].

Помимо замещающего включения марганца, низкотемпературная молекулярно-лучевая эпитаксия может вызывать внедрение других примесей. Наиболее распространены два вида примесей: межузельный марганец^[11] и замещающие (заместительные) атомы мышьяка^[12]. В первом случае атом марганца находится между другими атомами в структуре решётки сульфида цинка (цинковой обманки), а во втором — атом мышьяка занимает место атома галлия. Обе примеси являются двойными донорами, нейтрализуя дырки, образованные замещающими атомами марганца, за что получили название компенсирующих дефектов. Межузельный марганец также нейтрализует магнитный момент, связываясь с замещающими атомами марганца. Оба эти дефекта негативно сказываются на ферромагнитных свойствах (Ga,Mn)As, и поэтому нежелательны^[13].

Температура, ниже которой происходит переход от парамагнетизма к ферромагнетизму, известна как температура Кюри, ${\displaystyle T_{C}}$^[14]. Теоретические выводы, основанные на модели Зенера, предполагают, что температура Кюри изменяется в зависимости от количества марганца в структуре (Ga,Mn)As, поэтому ${\displaystyle T_{C}}$ может превысить 300 К, если достичь уровня легирования марганцем до 10 %. После открытия Оно [и др.] в (Ga,Mn)As удалось поднять температуру Кюри с 60 до 110 К. Однако, несмотря на теоретическую возможность получения ферромагнитного материала при комнатной температуре, в дальнейшем повысить температуру Кюри для данного материала не удалось.

В результате отсутствия прогресса в этом направлении сложилось мнение, что температура Кюри, равная 110 К, является фундаментальным пределом для (Ga,Mn)As. Самокомпенсирующаяся природа дефектов ограничивает теоретически возможные концентрации дырок, предотвращая дальнейший рост ${\displaystyle T_{C}}$. Однако, произошёл технологический прорыв благодаря улучшениям технологии отжига материала уже после его выращивания. Использовались температуры отжига, сопоставимые с температурой роста, что позволило преодолеть застывший барьер в 110 К^[15][16][17]. Отжиг при температурах, примерно равных температуре выращивания, способствовал удалению из материала высокомобильных межузельных атомов марганца^[18][19].

В настоящее время самые высокие зарегистрированные значения ${\displaystyle T_{C}}$ в (Ga,Mn)As составляют примерно 173 К^[20], что ещё значительно ниже столь востребованной комнатной температуры. В результате измерения характеристик материала должны проводиться при криогенных температурах, что в настоящее время исключает любое его применение за пределами лаборатории^{[21][22][23][24][25]}. Значительные усилия тратятся на поиск альтернативных магнитных полупроводников, для которых комнатная температура не является недостижимой. Поскольку методы и оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии непрерывно совершенствуются, существуют реальные перспективы улучшения контроля над условиями выращивания и отжига, что может позволить добиться дальнейшего прогресса в повышении температуры Кюри для (Ga,Mn)As.

Несмотря на то, что ферромагнитные свойства при комнатной температуре ещё не достигнуты, магнитные полупроводниковые материалы, такие как (Ga,Mn)As, продемонстрировали хорошие перспективы. Благодаря достижениям физики магнитных полупроводников, в них были открыты новые явления, а также синтезированы новые структуры. Проведём краткий критический обзор основных известных разработок в этой области.

Ключевым результатом в области создания магнитных полупроводников является так называемый затворный ферромагнетизм^[26], при котором электрическое поле используется для управления ферромагнитными свойствами материала. Этот результат был получен Оно [и др.]^[27] с использованием полевого транзистора с изолирующим затвором и (In,Mn)As в качестве материала магнитного канала. Магнитные свойства были зафиксированы с помощью измерений величин эффекта Холла, зависящих от степени намагниченности канала. Используя действие затвора для обеднения или обогащения дырками материала канала, можно управлять величиной отклика величин эффекта Холла, чтобы канал проявлял либо парамагнитные, либо ферромагнитные свойства. Когда температура образца близка к его ${\displaystyle T_{C}}$, можно «включить» или «выключить» ферромагнетизм материала канала, изменяя напряжение на затворе, что позволяло могло изменить управлять ${\displaystyle T_{C}}$ в пределах ±1 К.

Аналогичное транзисторное устройство на основе (In,Mn)As было использовано в качестве дополнительного примера затворного ферромагнетизма. В этом эксперименте электрическое поле использовалось для управления коэрцитивного поля, при котором происходит перемагничивание. В результате зависимости магнитного гистерезиса от смещения на затворе электрическое поле может быть использовано для перемагничивания или даже размагничивания ферромагнитного материала. Объединение магнитной и электронной функциональности, продемонстрированное этим экспериментом, является одной из целей спинтроники.

Другим важным спинтронным эффектом, продемонстрированным в магнитных полупроводниках, является спиновая инжекция. Здесь высокий уровень спиновой поляризации, присущей данным магнитным материалам, используется для переноса спин-поляризованных носителей в немагнитный материал^[28]. В этом примере использовалась эпитаксиальная гетероструктура, в которой спин-поляризованные дырки инжектировались из слоя (Ga,Mn)As в квантовую яму (In,Ga)As, где они объединялись с неполяризованными электронами из подложки n-типа проводимости. В результате была получена электролюминесценция с поляризацией 8 %. Это представляет потенциальный технологический интерес, поскольку показывает возможность управления спиновыми состояниями в немагнитных полупроводниках без участия внешнего магнитного поля.

(Ga,Mn)As представляет собой превосходный материал для изучения механики доменных стенок, поскольку домены могут иметь размер порядка 100 мкм^[29]. В результате ряда исследований, в которых использовались литографически выполненные боковые сужения или другие точки закрепления, было осуществлено управление доменными стенками^[30]. Эти эксперименты имели решающее значение для понимания зарождения и распространения доменных стенок^[31], что необходимо для создания сложных логических схем, основанных на механике доменных стенок.^[32] Многие свойства доменных стенок до сих пор полностью не изучены, и одним из особенно нерешённых вопросов является величина и размер сопротивления, связанного с прохождением тока через доменные стенки. Зафиксированы сообщения как о положительных^[33], так и об отрицательных^[34] значениях сопротивления доменных стенок, что оставляет эту область открытой для будущих исследований.

Пример простого устройства, использующего закреплённые доменные стенки, приводится в ссылке.^[35] Эксперимент проводился над литографически созданном узким островом, соединённым с выводами через несколько наносужений. Пока устройство работало в диффузионном режиме, сужения оказывали давление на доменные стенки, что приводило к гигантской величине сигнала магнитосопротивления. Когда же устройство работало в туннельном режиме, наблюдался другой эффект магнитосопротивления, который будет обсуждён ниже.

Ещё одним важным свойством доменных стенок является их подвижность, вызванная спин-поляризованным током.^[36] Считается, что поворот происходит в результате крутящего момента спин-переноса, создаваемого спин-поляризованным током^[37]. Это было продемонстрировано в работе с использованием устройства (Ga,Mn)As, содержащего три области, смоделированные таким образом, чтобы иметь три различных коэрцитивные поля, позволяющих легко сформировать доменную стенку. Центральная область была разработана так, чтобы формировать самую низкую коэрцитивную силу, так что появление импульсов тока могло вызвать переключение ориентации намагниченности. Этот эксперимент показал что ток, необходимый для достижения разворота в (Ga,Mn)As, был на два порядка ниже, чем в металлических системах. Также было продемонстрировано, что разворот намагниченности, вызванный током, может происходить через вертикальный туннельный переход (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As^[38].

Другим новым спинтронным эффектом, который впервые наблюдался в туннельных устройствах на основе (Ga,Mn)As, было туннельное анизотропное магнитосопротивление. Этот эффект возникает из-за сложной зависимости плотности туннельных состояний от намагниченности и может приводить к увеличению величины магнитосопротивления на несколько порядков. Данный эффект наблюдался вначале в вертикальных туннельных структурах^[39], а затем и в устройствах латерального типа^[40]. Туннельное анизотропное магнитосопротивление стало общим свойством ферромагнитных туннельных структур. Аналогичным образом, зависимость энергии электростатического отталкивания отдельного электрона от намагниченности привела к наблюдению другого эффекта магнитосопротивления в приборах на основе (Ga,Mn)As — так называемой кулоновской блокады анизотропного магнитосопротивления.