CUPRINS: 1. Introducere pag.2 2. Doparea GaAs cu Mn prin implantare ionică pag.3 3. Formarea straturilor semiconductoare fieromagnetice (AIII,Mn )BV prin metoda depunerii cu laser pag.44. Metoda depunerii reactive prin laser pag.65. Structuri de spin fotoluminiscente pag.7 Bibliografie

1. Introducere

1

Spintronica, ca o ramură a ştiinţei şi tehnicii, care se dezvoltă foarte rapid, a fost recunoscută în anul 2007 cu acordarea premiului Nobel în fizică profesorului A.Fert (Franţa) şi P. Grunberg (Germania) pentru descoperirea efectului de rezistenţă magnetică gigantică (efectul de magnetorezistenţă gigant a fost observat cu aproximativ cinsprezece ani în urmă, cînd s-a descoperit că rezistenţa unei structuri multistrat constînd dintr-o succesiune de straturi magnetice şi nemagnetice de grosimi de ordinul nanometrilor, este puternic dependentă de orientarea relativă a magnetizărilor filmelor magnetice. Astfel, într-o configuraţie ”antiferomagnetică”(magnetizările filmelor sunt antiparalele) rezistentnţa este mai mare decît într-o configuraţie ”feromagnetică”. Acesta indică faptul că momentul magnetic propriu al electronilor, asociat cu spinul acestora, joacă un rol esenţial în determinarea proprietăţilor de transport ale unor astfel de structuri). La baza funcţionării dispozitivelor spintronice stă utilizarea momentului magnetic propriu al mişcării electronului (spinului) pentru codificarea, transmiterea şi păstrarea informaţiei. Cercetările în domeniul spintronicii includ realizarea conceptelor şi modelelor pentru dispozitive fizice, îmbunătăţirea tehnologiei de obţinere a materialelor specifice care servesc ca bază acestor dispozitive, cercetarea proprietăţilor materialelor şi structurilor date. Două direcţii ale spintronicii (metalică şi semiconductoare) s-au dezvoltat practic paralel în lanţul efecte-materiale şi heterostructuri-tehnologie-dispozitive şi instalaţii. Astfel, în anul 1988, în structurile periodice (în super reţele) „metal fieromagnetic/metal obişnuit” a fost descoperit efectul rezistenţei magnetice gigantice (RMG). Iniţial, pentru realizarea acestor structuri a fost utilizată metoda epitaxiei din fascicol molecular (EFM) şi doar după cîteva îmbunătăţiri a metodei de depunere magnetronică a structurilor RMG au fost realizate dispozitive industriale - la început valva de spin şi pe baza ei, în anul 2000- capuri de citire pentru winchestere. La fel, dezvolatrea spintronicii semiconductoare a inclus în sine obţinerea (anul 1992) a primelor semiconductoare fieromagnetice de tip (AIII,Mn )BV şi în continuare heterostructuri cuanto-dimensionale cu straturi magnetice, realizarea tranzistorului de cîmp de spin, valvelor semiconductoare de spin şi dispozitivelor luminiscente de spin. În perspectivă, se preconizează realizarea structurilor spintronice hibrid (metal-semiconductor) cu îmbunătăţirea posibilităţilor de funcţionare. Interesul pentru obţinerea şi cercetarea materialelor, care pe lîngă proprietăţile de semiconductor ar deţine şi proprietăţi de fieromagnetic a apărut la sfîrşitul anilor 90. În rezultat, în anul 2000 a fost depusă cererea pentru realizarea proiectului individual „Modificarea proprietăţilor magnetice a structurilor semiconductoare cu ajutorul implantării ionice”. Proiectul a fost aprobat de fodul de susţinere a ştiinţei a statului Riu-Grandi-Du-Sul (Brazilia) şi a fost realizat în decursul unui an la Institutul de Fizică a Universităţii Federale în acelaşi stat. Pentru realizarea lui a fost folosită tehnică acceleratoare, instalaţia de tratare termică rapidă şi tehnică analitică a institutului menţionat. Lucrările de cercetare asupra semiconductorilor GaAs, InAs, GaSb puternic dopate cu Mn au fost continuate la Universitatea Orăşenească de Inginerie începînd cu octombrie 2001. Încet, s-a format un grup de entuziaşti ai acestei noi direcţii a fizicii şi tehnologiei semiconductorilor. În anul 2002, colaboratorii V.V.Podolskii şi V.P.Lesnikov au început lucrările de sintetizare a semiconductorilor AIIIBV dopaţi cu Mn, prin metoda depunerii în vid cu laser. Un adevărat succes în această tehnologie a fost atins cînd colaboratorul B.N.Zvoncov, în acelaşi an a obţinut în reactor prin epitaxia compușilor mtalo-organici (CMO) straturi de GaAs:Mn (cu

2

utilizarea evaporării cu laser în flux de Oxigen şi As). Astfel a apărut posibilitatea de a combina structurile cu dimensiuni cuantice cu straturi de semiconductori magnetici.

2. Doparea GaAs cu Mn prin implantare ionică.

Începînd cu mijlocul anilor 90, a devenit clar că creşterea prin metoda epitaxiei din fascicol molecular a straturilor de GaAs dopat cu Mn pînă la concentraţia de cîteva procente atomare, semiconductorul capătă proprietăţi de fieromagnet. În plus, atomii de Mn îndeplinesc aici rol dublu: ei servesc ca acceptori încorporîndu-se în nodurile subreţelei de Ga şi au un moment magnetic necompensat din cauza umplerii pe jumătate a învelişului -3d. Conform celui mai răspîndit model Ruderman-Kittel-Kasuin-Iosid, interacţiunea fieromagnetică între atomii de Mn în GaAs se realizează datorită golurilor libere. Temperatura Curie a straturilor de GaMnAs de obicei nu întrece 110 K. A apărut un interes în cercetarea posibilităţii utilizării pentru doparea GaAs cu Mn a implantării cu ioni, care, fără dubii, este cea mai eftină şi industrială metodă. Implantarea ionilor de Mn+ s-a realizat în GaAs semiizolat pe o ţintă la temperatura camerei, cu energia de 50-200 keV. Cantitatea de ioni varia de la 1013 la 5*1016cm-3. Pentru restaurarea structurii cristaline a GaAs, defectată în rezultatul implantării cu ioni a fost utilizată tratarea termică rapidă (cu durata de 10-30s). După tratare, la temperaturi mai mari de 600°C straturile dopate cu Mn au demonstrat conductibilitate de tip p. Concentraţia golurilor în strat ajungea însă repede la saturaţie cu creşterea dozei ionilor de Mn+ şi nu întrecea concentraţia de 1014 cm-3. Pe lîngă aceasta, conductibilitatea Hall a golurilor era de ≈ 230 cm2/V*s (măsurările au avut loc la temperatura camerei). Rezultate îmbucurătoare au arătat măsurările efectului magneto-optic Kerr (Efectul magnetooptic Kerr descrie transformările luminii reflectate de la o suprafață magnetizată. Lumina reflectată de la o așa suprafață își poate schimba polarizarea și intensitatea datorită faptului că suferă o mică rotație a planului de polarizare. Efectul Kerr magneto-optic apare in urma interacțiunii dintre radiația optică liniar polarizată și o suprafață magnetizată, radiația reflectată fiind eliptic polarizată cu axa mare rotită cu un unghi mic față de planul de polarizare al radiației optice incidente, unghi ce poartă denumirea de rotațe Kerr magneto-optică. Elipticitatea și rotația Kerr depind liniar de magnetizație. Una din aplicațiile efectului Kerr magneto-optic este cea legată de posibilitatea determinării ciclului de histerezis magnetic corespunzător magnetizării de suprafață. Magneto-optica nu permite determinarea valorii absolute a magnetizației de suprafață a probei, ci numai a valorii relative a acesteia (intensitatea radiației reflectate de suprafața probei fiind proporțională cu magnetizația acesteia). Se poate determina valoarea absolută a cîmpului magnetic coercitiv corespunzător magnetizării de suprafață. Ciclul de histerezis magnetic corespunzător magnetizării de suprafață se obține prin inregistrarea intensității radiației reflectate/rotației Kerr/elipticitate Kerr funcție de valoarea intensității cîmpului magnetic extern în care se află proba magnetică.): semnalul descria o curbă de histerzis din dependenţa acestuia de cîmpul magnetic exterior la temperatura de 300K. Acest semnal de tip fieromagnetic apărea doar la doze de implantare mari (˃1015 cm-3) şi pentru un interval destul de îngust a temperaturii de tratare (715-750 °C). Semnalul maximal al efectului Kerr a fost observat pentru următoarele condiţii tehnologice: concentraţia ionilor de Mn+ egală cu (3-5)*1016 cm-3 la temperatura de

3

tratare de 725 °C în decurs de 10s. Însă efectul Hall a fost normal în măsurările la temperatura camerei, iar o anomalie neînsemnată (în curba de histerezis) a apărut doar la temperatura de 10K. Cercetările ulterioare au permis înţelegerea mecanismului fenomenelor ce apăreau în rezultatul tratării la temperaturi mari a stratului de GaAs dopat cu doze mari de ioni Mn+. Cercetările electromicroscopice a secţiunii transversale a probelor implantate şi tratate la T=750°C au arătat prezenţa a două tipuri de clusteri: cei poziţionaţi aproape la suprafaţă de tipul GaMn şi cei aflaţi în adîncime (în volum,) care depinde de energia implantării și de tipul MnAs cu diametrul de aproximativ 50nm. Compoziţia clusterilor a fost foarte bine determinată atît prin metoda analizei energodispersive locale cu fascicol de electroni, cît şi prin metoda difractiei radiaţiei Roentgen în sincrotron. Astfel, a fost observat un fenomen interesant: la schimbarea temperaturii de măsurare a fost înregistrată o trecere de fază de la α-MnAs la β-MnAs. Spre deosebire de pelicolele masive MnAs, unde shimbarea de fază de la faza fieromagnetică la cea paramagnetică este bruscă (la temperaturi de 315K), în Mn+

implantat în GaAs schimbarea de fază se întinde pînă la aproximativ 330K în urma influenţei matricei care înconjoară clusterii. În dependenţa parametrului reţelei de temperatura de măsurarea fost observat histerezisul. Astfel, din cauza dereglării serioase a structurii GaAs la implantarea acesteia cu doze mari de ioni grei de Mn+ (pînă la formarea unui strat amorf) este necesară tratarea la temperaturi destul de înalte. Însă, din cauza solubilităţii joase a Mn în GaAs (aproximativ 8*1019 cm-3) în procesul încălzirii are loc ieşirea atomilor de Mn din soluţia solidă cu formarea unor precipitate. Formarea acestor clusteri este avantajată şi de mărirea coeficientului de difuzie a Mn în GaAs la temperaturi înalte. Astfel, Mn formează o legătură puternică MnAs. O mică concentraţie de ioni de Mn rămîne în soluţia solidă (stare acceptoare). Apariţia efectului Kerr de tip fieromagnetic este datorat acestor clusteri MnAs care au temperatura Curie mai mare decît cea a camerei. În consecinţă, o astfel de abordare standartă de implantare (implantarea cu concentraţii mari de ioni Mn+ cu temperatura înaltă de ardere corespunzătoare) nu permite formarea straturilor semiconductoare fieromagnetice omogene.

3. Formarea straturilor semiconductoare fieromagnetice (AIII,Mn )BV prin metoda depunerii cu laser.

În legătură cu încercările nereuşite de a forma straturi omogene de semicondcutori feromagnetici prin metoda implantării ionice, preţul scump şi inaccesibilitatea la instalaţiile speciale necesare (pentru dopare cu Mn sunt necesare instalaţii EMR, destinate exclusiv acestei operaţii) au determinat căutarea tehnologiilor de obţinere alternative. În continuare sunt prezentate rezultatele obţinute în urma utilizării metodei de depunere cu laser. Această metodă, în varianta de vid, a început să fie utilizată în anii 80 pentru depunerea straturilor semiconductoare şi metalice şi a materialelor supraconductoare la temperaturi înalte. Primele experimente, efectuate în vid, au arătat aplicabilitatea acestei metode pe exemplul straturilor de GaMnSb. Aceste straturi, depuse la temperaturi de 200-440 °C, s-au dovedit a fi monocristale mozaice. Doparea cu Mn pînă la concentraţia de ≈ 4 %atomare a determinat

concentraţia purtătorilor mai mare ca 1019cm-3. Straturile crescute la temperaturi de 200-300

4

°C, dispuneau de proprietăţi feromagnetice pînă la temperatura camerei, iar efectul Hall purta un caracter anomal. Însă rugozitatea straturilor obţinute era destul de înaltă, fapt condiţionat de depunerea pe surafaţa în creştere, împreună cu fascicolul de particule atomare, a unor clusteri de dimensiuni mari formaţi în urma evaporării ţintei de Mn şi GaSb. A fost folosită metoda evaporării cu laser în atmosferă de gaz. Fascicolul de impuls al laserului AИГ:Nd trecea prin sistema de slăbire a intensității, sistema de scanare după suprafață și era introdusă printr-un perete de cuarț în reactorul de epitaxie CMO. Fascicolul nimerea pe o țintă solidă (din Mn metalic sau dintr-un disc semiconductor), situată la distanța de 4-5 cm de la suportul rotitor încălzit. În procesul de cercetare, s-a dovedit că la presiunea atmosferică (în flux de hidrogen) pînă la suport ajunge doar o mică parte di materialul evaporat. A fost descoperit că la presiunea hidrogenului în reactor de 25-50 Tor, viteza de depunere se apropie de viteza de depunere în vid. Cu toate acestea fluxul de hidrogen în reactor se păstra destul de înalt, ceea ce asigura puritatea atmosferei necesară în reactor. Prezența atmosferei gazoase permitea excluderea nimeririi pe suprafața stratului în creștere a clusterilor și a ionilor accelerați, spre deosebire de evaporarea cu laser în vid. În plus, desfășurarea procesului de epitaxie CMO permite la creșterea arsenidelor sau a fosfidelor prin introducerea în fluxul gazos de arsen sau fosfen, care discompunîndu-se în plasma de laser, se depun la suprafața de creștere ca elemente a grupei a V-a, care compensează pierderile de acestea la evaporare. Primele rezultate în urma utilizării acestei metode pentru obținerea straturilor de GaMnAs au fost expuse la conferința din Saransc. A fost determinat, că straturile de GaMnAs, obținute în diapazonul de temperaturi a creșterii T=300-650°C, dețineau proprietăți de semiconductor (conductibilitate de tip p), ceea ce au arătat dependențele de temperatură a rezistivității si a efectului Hall. În straturile de GaMnAs a fost observat efectul Hall anomal la temperaturi mai mici de 60 K. Aceasta a permis de concluzionat că proprietățile fieromagnetice a acestor structuri legate cu polarizarea de spin a purtătorilor, pot fi explicate calitativ în ramele teoriei fieromagnetizmului în semiconductorii magnetici, determinate de interacțiunea de schimb între purtători și momentele magnetice a atomilor de Mn. Cercetarea efectului magnetooptic Kerr în geometria meridională (cîmpul este orientat la suprafața probei), efectuate la temperatura camerei, au arătat prezența curbei de histerezis pe dependența unghiului de rotație a suprafeței de polarizare a fascicolului de laser (λ=632nm) de valoarea cîmpului magnetic exterior. Mărimea cîmpului coercitiv Hc depindea atît de conținutul de Mn, cît și de temperatura de depunere a straturilor. În particular, pentru structurile cu straturi de GaMnAs, crescute la temperatura de 400°C, valoarea Hc atingea 390-480 Oerst. A fost expusă presupunerea, că în procesul de creștere a stratului în matricea GaAs dopat cu Mn, se formează deasemenea clusteri de MnAs. Pe parcursul măsurării efectului magnetooptic Kerr a fost descoperită o anizotropie puternică a curbelor de histerezis la suprafața probei la schimbarea direcției cîmpului magnetic de la lungul axei [110] la cea [110]. Acest fapt vine în acord cu presupunerile despre formarea în matricea semiconductoare a clusterilor de MnAs, care au structură hexagonală și o axă de magnetizare ușoară [21 10]. A fost descoperit, că tratarea cu un impuls de laser cu rubin (λ=0,68µkm, cu o durată de 25ns, densitatea puterii aproximativ 1*107 V/cm2) a dus la schimbarea semnificativă a proprietăților de transport: rezistența la suprafață s-a micșorat, iar probele la păstrarea

5

conductibilității de tip p au arătat efectul Hall anomal atît la 77 K cît și la temperatura camerei. Acest mecanism datorat influenței impulsului laser cu o durată de nanosecundă asupra proprietăților straturilor de GaMnAs poate fi legat cu montarea în subrețeaua de Ga a atomilor de Mn, care se află în poziții neregulate. Cel mai probabil, pînă la atratare cea mai mare parte a atomilor de Mn se afla între noduri, determinînd stări donoare, care compensau conductibilitatea de goluri. Prezența în straturile obținute de GaMnAs a fieromagnetizmului aflat în consecința efectului magnetooptic Kerr și observarea efectului Hall anomal la temperatura camerei numai după tratarea termică cu laser, a dat posibilitatea presupunerii, că acest material conține două faze de interacțiune reciprocă. Un astfel de sistem fieromagnetic poate prezenta în sine clusteri de compoziție MnAs, montați în soluția solidă de GaMnAs (semiconductorul care poate fi fieromagnetic cu temperatura Curie dependentă de concentrația Mn). Au fost obținute straturi de InMnAs pe suporturi de GaAs. Este arătat că straturile formate de InMnAs au o structură monocristalină și dețin proprietăți de semiconductori de tip p. Temperatura de precipitare a pelicolelor de InMnAs influențează semnificativ asupra rezistenței între straturi: numai într-un diapazon destul de îngust de temperaturi T=280-330°C rezistența straturilor de InMnAs atinge valori minimale de aproximativ 104Ω. O particularitate importantă a straturilor de InMnAs, crescute la T=280-330°C, este observarea efectului Hall anomal la 77K și la temperatura camerei. Curba de histerezis confirmă despre fieromagnetismul acestor straturi. Cîmpul coercitiv alcătuia 310 Oerst la 300 K. Prezența proprietăților fieromagnetice a straturilor InMnAs, depuse în condițiile tehnologice expuse mai sus, au fost confirmate de rezultatele cercetărilor efectului magnetooptic Kerr. Idealitatea cristalului și compoziția de fază a straturilor de InMnAs au fost cercetate prin metoda difracției Roentgen. A fost stabilit că straturile de InMnAs au o structură de monocristal mozaic cu faze active de MnAs. Experimentele efectuate pentru studierea rezonanței fieromagnetice în InMnAs au determinat prezența a două a două faze fieromagnetice. Răspunsul de la una din ele dispărea în intervalul de 313 – 332 K (cel mai posibil de la faza MnAs), iar mai departe, pînă la 475 K a fost observat semnalul rezistenței fieromagnetice a altei faze fieromagnetice, pînă cînd nedeterminată. Posibil că această a doua fază fieromagnetică este matricea de InMnAs puternic dopată. Efectul Hall anomal a fost observat pentru prima dată din curba de histerezis la temperatura camerei în straturile de InMnAs. Această apariție a fost explicată calitativ prin interacțiunea purtătorilor spin-polarizați cu momentele magnetice conținute în matricea semiconductoare cu incluziuni fieromagnetice de MnAs. Astfel, metoda depunerii cu laser în faza gazoasă permite formarea straturilor de GaMnAs și InMnAs, care pe lîngă proprietățile de semiconductor prezintă deasemenea și comportament de fieromagnetic.

4. Metoda depunerii reactive prin laser

Interesul pentru legăturile fieromagnetice semimetalice de MnAs și MnP, este legat cu faptul că aceste materiale dețin o temperatură Curie ( 315 și 291K pentru cristalele MnAs și MnP, corespunzător) destul de înaltă pentru utilizarea lor practică, sunt compatibile

6

tehnologic cu straturile semiconductoare și pot fi utilizate în calitate de surse de purtători spin-polarizați pentru injectarea lor în semiconductor. Pentru creșterea acestor materiale în reactor a fost efectuată evaporarea cu laser a Mn metalic, iar în fluxul de hidrogen a fost adăugat arsin și fosfin. În procesul de analiză roentgen a structurii, a fost depistat că straturile de MnAs obținute prin metoda depunerii reactive cu laser au structură monoclistalină mozaică și conțin o fază α-MnAs fieromagnetică hexagonală. Dependențele de cîmpul magnetic a efectului magnetooptic Kerr demonstrează proprietățile fieromagnetice a straturilor de MnAs și permit de a obține informații despre orientarea axei magnetizării facile în direcția [110] a GaAs. Dependența rezistenței straturilor probei de MnAs de temperatură, obținută la temperaturile 300 – 400°C, poartă caracter metalic. Toate structurile au conductibilitate de tip – p la 295K și 77K. Pentru toate structurile, la temperatura de 295K, a fost observat efectul Hall anomal: dependența rezistenței Hall de intensitatea cîmpului magnetic are un aspect neliniar pe curba de histerezis, ceea ce demonstrează despre proprietățile fieromagnetice a structurilor.

Aprecierea valorilor concentrației purtătorilor (ρϑ=9,5∙ 1020 cm−3) și mobilitatății lor (

μH=7 cm2/V ∙ s) au fost îndeplinite pentru prima dată pentru straturile de MnAs.

Structura și proprietățile electrice a straturilor de MnP depindeau în mare parte de temperatura lor de creștere. Straturile de MnP, depuse pe suportul de GaAs, aveau conductibilitate de tip – p, la fel ca și straturile de MnAs. Concentrația purtătorilor liberi determinată la temperatura de 295K, alcătuia 1*1021 cm-3 pentru T=300°C și scădea pînă la 3*1020 cm-3 cu mărirea temperaturii de creștere pînă la T=450°C. Efectul Hall al straturilor crescute la 400 și 450°C, era anomal cu curba de histerezis în intervalul de temperaturi de la 10 K pînă la 295 K. Mărirea temperaturii de creștere a straturilor de MnP de la 300 la 450°C, ducea la mărirea valorii cîpului coercitiv HC de la 135 Oerst la 1050 Oerst. Cercetarea proprietăților galvanomagnetice a MnP pe suporturile de GaAs su fost efectuate pentru prima dată. Este marcat și faptul că în straturile de MnAs și MnP este observat efectul magnetorezistenței negative cu caracter de histerezis și efectul magnetorezistenței anizotrope. Se poate de afirmat că metoda evaporării cu laser a unei ținte metalice de Mn în flux de hidrogen și hidride (arsin și fosfin) permite obținerea straturilor de MnAs și MnP, care dețin proprietăți fieromagnetice aproape pînă la temperatura camerei.

5. Structuri de spin fotoluminiscente

În aceste dispozitive, electronii spin-polarizaţi (sau golurile) sunt injectaţi în regiunea activă, unde recombină cu golurile (sau electronii) nepolarizate cu emisia luminii liniar sau circular polarizată. Legătura directă între polarizarea de spin şi cea optică determină sursele cu polarizare de spin sa fie destul de potrivite pentru un şir de aplicaţii în criptografie, structuri cu compuşi optici şi pentru întrerupători şi modulatori de perspectivă. Elementele de bază a diodei fotoluminiscente de spin (DFLS) de obicei sunt: a) injector feromagnetic, care realizează polarizarea spinului purtătorilor de curent, b) strat spacer, unde purtătorii spin-polarizaţi se deplasează din injectorul feromagnetic, c) regiunea activă a dispozitivului, care de obicei este compus din unul sau mai multe straturi de găuri cuantice sau puncte cuantice,

7

unde în pe parcursul timpului mediu de viaţă purtătorii spin-polarizaţi recombină luminiscent cu purtătorii nepolarizaţi. Prima variantă a instalaţiei DFLS a devenit cea pe substrat de n-GaAs cu groapă cuantică InxGa1-xAs/GaAs în rol de strat activ. În calitate de polarizator de spin al golurilor a fost folosit un strat evaporat termic de Co (sau Ni). A fost arătat că linia electroluminiscenţei, care corespundea recombinării golurilor spin-polarizate şi a electronilor nepolarizaţi din groapa cuantică, la aplicarea cîmpului magnetic H perpendicular la suprafaţă (geometria lui Faraday), devine polarizată circular. Gradul de polarizare este o funcţie de mărimea H (atinge 40% în cîmpuri puternice) şi depinde de parametrii structurii şi în primul rînd de stratul „spacer”. O astfel de construcţie permite fără probleme de a produce iluminare la așa lungimi de undă într-un substrat cu absorbţie scăzută. Însă anizotropia formelor condiţionează valori ale rezistenţei cîmpului magnetic prea mari în această geometrie pentru a obţine valori importante a gradului de iluminare circular polarizată. Cu toate acestea au fost subliniate cîteva particularutăţi importante ale DFLS, care au influienţat asupra cercetărilor ulterioare în această direcţie. În primul rînd, graniţa de separare „metal feromagnetic/GaAs” conţine aşa-numitul strat magnetic mort, prezenţa căruia duce la o micşorare evidentă a coeficientului de injecţie a purtătorilor spin-polarizaţi (deci şi a relaxării de spin la interfață). Depunerea unui strat triplu de compoziţie metalică de tipul Au/Co/Au a permis un grad important de micşorare a acestui efect. Pe lîngă aceasta stratul superior de Au a folosit pentru prevenirea oxidării Co la păstrarea dispozitivului la aer. În al doilea rînd, a fost demonstrat experimental, că în pofida părerilor despre imposibilitatea realizării instalaţiei DFLS din cauza relaxării de spin puternice a golurilor spin-polarizate, lungimea relaxării de spin a golurilor în GaAs nedopat crescut prin epitaxie cu utilizarea tehnologiei CMO, alcătuia aproximativ 80 nm. Această valoare permite destul de bine realizarea variantei de injectare a golurilor spin-polarizate şi utilizarea substratului (bazei diodei) de n-tip.Al doilea model de DFLS, care a fost realizat, a revăzut injectarea golurilor cu ajutorul barierei Shottky la polarizare directă Au/GaAs. Particularitatea acestei construcţii constă în faptul că în apropierea gropii cuantice, la distanţa stratului spacer se afla delta-Mn –strat dopat. De ce anume delta-strat? Deoarece, cum a fost menţionat mai sus, atomii de Mn au un coeficient mare de difuzie în GaAs. Nu este dorită căderea atomilor de Mn în groapa cuantică din cauza activităţii de recombinare, în rezultatul căreia intensitatea iluminării de recombinare a gropii cuantice la lungimea de undă corespunzătoare tranziţiilor energetice între nivelele electronice scade observabil. Pe lîngă acestea, pentru Mn în GaAs este caracteristic fenomenul de segregare în procesele epitaxiale, cînd pentru o concentraţie mare a atomilor de Mn aceştia se împing sub forma unui strat crescut la suprafaţă. Pentru minimizarea segregării este necesar de a micşora cantitatea Mn în structura de GaAs şi/sau de micşorat temperatura epitaxiei. În conformitate cu acestea, a fost propusă următoarea schemă a proceselor de creştere: Întîi, la temperatură înaltă de 600-650 °C, se creşte o regiune de mărime cuantică – un strat de GaAs, groapă cuantică InxGa1-xAs şi spacer din GaAs nedopat. Apoi temperatura substratului se scade pînă ls 350-400°C şi în acelaşi reactor se depune stratul de Mn cu grosimea (QMn) pînă la 0,2 monostraturi, care la aceeaşi temperatură a substratului se acoperă

8

cu un strat de GaAs dopat cu grosimea 20-40 nm. Pentru îndeplinirea operaţiilor la temperaturi joase se foloseşte evaporarea cu laser a unei ţinte metalice de Mn şi GaAs nedopat, corespunzător. Temperaturile menţionate mai sus pentru îndeplinirea etapei principale de formare a structurii reprezintă un compromis între scăderea temperaturii necesară cerşterii (pentru minimizarea nimeririi prin difuzie a Mn în groapa cuantică) şi cerinţele pentru obţinerea stratului de GaAs cu calitate înaltă a reţelii cristaline (pentru aceasta trebuie de ridicat temperatura substratului la depunerea cu laser). S-a dovetit a fi că, introducerea delta Mn- strat dopat la curenţi egali, diodele DFLS măresc intensitatea electroluminiscenţei mai mult decît cu un ordin, în comparaţie cu aceeaşi diodă fără delta-dopare. Acest efect se explică prin modificarea structurii de benzi prin introducerea stratului delta-dopat: apariţia barierei pentru electronii dintre groapa cuantică şi suprafaţă şi micşorarea înălţimii efective barierei de potenţial pentru purtătorii de curent minoritari. În cîmp magnetic (geometria lui Faraday) iluminarea gropii cuantice este polarizată circular: intensitatea electroluminiscenţei stîng- polarizată întrece intensitatea celei drept-polarizată sau invers, în dependenţă de direcţia cîmpului magnetic. Gradul de polarizare circulară a iluminării se determină după parametrii tehnologici: conţinutul de Mn în stratul –delta şi grosimea spacer-ului între groapa cuantică şi delta-Mn- strat dopat. Cele mai bune rezultate au fost obţinute pentru concentraţia Mn ≈ 0,15−0,2 şi grosimea spacer-ului de 2-3 nm. Mai multe cercetări (în special studierea proprietăţilor galvano-magnetice a stratului delta-Mn pe un substrat semiizolat de GaAs) au permis determinarea faptului că orientarea de spin a golurilor are loc în interiorul gropii cunatice. Valoarea gradului de iluminare polarizată circular atinge 50% şi alcătuiește în cîmpuri medii (pînă la 1T) ≈ 18−20 % . Aceşti parametri se găsesc la nivelul mondial al celor mai bune rezultate pentru dispozitive de acest fel. Acest tip de DFLS, însă, deţine un şir de limite, care sunt legate de temperatura Curie mică a stratului dopat delta-Mn (T c ≈ 30−35 K ). Astfel, la T>35 K rămîne doar o slabă polarizare a golurilor în groapa cuantică din cauza despicării Zeeman (mai puţin de 10% în cîmpuri de 9T). Limitele specifice ale DFLS de tipul 1 şi de tipul 2, au stimulat cercetările în direcţia straturilor de semiconductori feromagnetici (InMnAs, MnP) cu o grosime destul de mare (0,1 µm) în calitate de injectori DFLS. Astfel se aşteaptă mărirea temperaturii Curie pînă la

T c ≈ 300 K a cîtorva structuri mai simplificate, din contul excluderii etapei de formare a

barierei Shottky (stratul metalic, evaporat pe injector, se utilizează în calitate de contact ohmic, sub forma unei concentraţii mari de goluri în materialele sus- enumerate.) Astfel, pe baza cercetărilor efectuate în laboratoarele de tehnologie epitaxială, a fost creată o nouă direcţie în domeniul fizicii şi tehnologiei semiconductoarelor: formarea structurilor şi dispozitivelor semiconductoare feromagnetice, bazate pe efectele de spin, cu ajutorul metodicii combinate epitaxia CMO şi depunerea cu laser. Această metodă permite creşterea regiunilor de heterostructuri şi straturi magnetice de mărimi cuantice într-un ciclu tehnologic comun.

9

Bibliografie:

Данилов Ю. А. Полупроводниковая спинтроника: структуры и приборы полупроводниковой спинтроники на основе соединений A3B5, Вестник Нижегородского госуниверситета им. Н. И. Лобачевского, 2010, N#5(2), pag. 339-346.

10