Диссертация (1145326), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Этому процессу туннелирования соответствуют первыепики на рис. 6.37. При увеличении приложенного напряжения уменьшается величина потенциального барьера и степень заселенности верхнего уровня электронами – он опустошается. При дальнейшем увеличении напряжения изменяется положение уровней относительно максимума барьера.
При определенном значении напряжения вероятность туннелирования через барьер со следующего уровня, расположенного ниже вышележащего,становится максимальной. Процесс туннелирования с этого уровня соответствует второмупику. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к опустошению второго уровня электронами и электроны начинают туннелировать с третьего состояния и т.д. Можно сказать,что каждому пику соответствует определенный уровень в двумерной квантовой яме, когда331Рис. 6.37: Зависимости инжекционного магнитосопротивления IMR от напряжения U длягетероструктур SiO2 (Co)/GaAs с (a) 71 at.
% Co и с (b) 54 at. % Co в магнитном поле H= 6.25 Oe.332он заселен электронами и вероятность туннелирования с него через барьер максимальна.При этом высоколежащие уровни не заселены электронами. Благодаря положительнойобратной связи, формируемой дырками, рожденными в ходе лавинного процесса, малыеизменения в вероятности туннелирования и в заселенности уровней приводят к значительным изменениям тока, что усиливает пиковый характер зависимостей IMR. Как можновидеть из приведенных зависимостей, в малых магнитных полях магнитосопротивлениедостигает наибольших значений в области начала лавинного процесса. Таким образом,для получения наибольшей чувствительности магнитных сенсоров к гетероструктурамSiO2 (Co)/GaAs необходимо прикладывать напряжение в области начала лавинообразования.6.3.6Распространение IMR эффекта на структуры с другими полупроводникамиКак было описано в предыдущем разделе, магниторезистивные сенсоры могут бытьсконструированы на основе эффекта IMR в гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs.
Наибольшая чувствительность эффекта наблюдается при больших напряжениях при лавинномпроцессе. Развивающаяся ударная ионизация рождает дырки, которые движутся и аккумулируются в области барьера. Сформировавшаяся обратная связь способствует большимизменениям протекающего тока при малых изменениях высоты барьера. Но этот процессимеет ряд недостатков. Во-первых, IMR эффект в гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs имеет температурно-пиковый характер. Во-вторых, этот эффект наблюдается в структурах сполуизолирующим GaAs и с n-GaAs с высоким удельным сопротивлением.ОченьважнораспространитьIMRэффект,наблюдаемыйнаструктурахSiO2 (Co)/GaAs, на структуры с другими полупроводниками и достичь больших значений коэффициента IMR в широком температурном диапазоне.
Одним из многообещающих полупроводников для спинтроники является кремний, который обладает большимвременем спиновой релаксации носителей и большой длиной свободного пробега электронов [270, 296, 367]. Спин-орбитальные эффекты, вызывающие спиновую релаксацию, в Siзначительно менее выражены, чем в GaAs из-за меньшей атомной массы и существованияцентра инверсии кристаллической структуры, который сохраняет спиновое вырождениезон. Более того, наиболее распространенный изотоп28Si не имеет ядерного спина, что по-давляет сверхтонкое взаимодействие. Все эти свойства приводят к относительно большомувремени спиновой релаксации в Si.Рассматривая IMR эффект в SiO2 (Co)/GaAs, можно придти к заключению, что дляэффективного магнитосопротивления в структурах ферромагнетик / полупроводник (FM/ SC) необходимо выполнить следующие требования.(a) Полупроводник (SC) должен содержать квантовую яму на интерфейсе.333(b) Квантовая яма должна содержать локализованные электронные состояния.(c) Локализованные уровни должны быть обменно-расщеплены ферромагнетиком (FM).Взаимодействие с электронами, находящимися на этих уровнях, приводит к спин-зависимому барьеру.(d) Большие величины магнитосопротивления могут быть достигнуты при наличии процесса ударной ионизации.(e) Ловушки для дырок, которые возникают в процессе ударной ионизации и движутсяв сторону потенциального барьера, должны располагаться в области барьера.
Существование дырок в области барьера понижает его высоту. Это формирует положительнуюобратную связь и приводит к большим изменениям тока.Исследованные структуры SiO2 (Co)/GaAs содержат двумерные квантовые ямы, сформированные пленкой SiO2 (Co) благодаря разности химических потенциалов междуSiO2 (Co) и GaAs. Ширина и форма этих ям существенно зависят от концентрации электронов на интерфейсе и от температуры.
Используя другие методы формирования двумерных квантовых ям в полупроводнике вблизи интерфейса (молекулярно-лучевая эпитаксия, MOCVD), можно получить квантовые ямы с желаемыми шириной, глубиной и числом локализованных электронных уровней. Магниторезистивные сенсоры, использующиепроцесс ударной ионизации, могут быть сконструированы на базе структур с дырочными ловушками и квантовыми ямами в интерфейсной области (рис. 6.38).
Локализованныеуровни расщеплены обменным взаимодействием с FM, выращенным на интерфейсе, иливзаимодействием с гранулированной пленкой, содержащей FM наночастицы. Последнийтехнологический метод – напыление гранулированной пленки на интерфейс квантовойямы может преодолеть трудности спиновой инжекции, связанные с несоответствием проводимостей FM металла и полупроводника [368]. Изменение концентрации FM наночастицприводит к значительным изменениям проводимости гранулированной пленки и можнодостичь желаемого соотношения проводимостей между FM и SC. Дополнительный барьер, сформированный около квантовой ямы в области дырочной ловушки, способствуетулучшению наступления ударной ионизации.
Приложенное напряжение падает в областиэтого барьера и, таким образом, формируется сильное электрическое поле, необходимоедля начала лавинного процесса.Можно ожидать, что предложенный магниторезистивный сенсор обладает магниторезистивным эффектом большой величины в широком температурном диапазоне. Квантоваяяма обладает фиксированными шириной и глубиной, что приводит к фиксированному числу локализованных состояний, ответственных за формирование спин-зависимого барьера.Количество уровней слабо зависит от температуры. По этой причине можно надеятся, чтомагниторезистивный сенсор на этой структуре будет работать в более широком диапазонетемператур, чем сенсоры на структуре SiO2 (Co)/GaAs, в которой квантовая яма на интерфейсе сформирована разностью химических потенциалов между GaAs и гранулированной334Рис.
6.38: Структура энергетических зон магниторезистивного сенсора на основе гетероструктуры с квантовой ямой и дырочной ловушкой при наличии лавинного процесса.пленкой.6.4ВыводыИсследование электронного спинового транспорта в гранулированных структурах SiO2с ферромагнитными металлическими наночастицами (Co,Nb,Ta) привел к следующим результатам.(1) В гранулированных структурах с малыми концентрациями гранул наличие слаборасщепленных локализованных состояний в канале туннельной проводимости между ферромагнитными металлическими гранулами приводит к отсутствию насыщения магнитосопротивления в сильных магнитных полях.(2) Увеличиние длины цепочки локализованных состояний между гранулами, по которымтуннелирует электрон, приводит: (a) к уменьшению коэффициента s − s-туннелирования,что ведет к увеличению отрицательного магнитосопротивления |JM R|; (b) к росту вероятности неупругого рассеяния спина туннелирующего электрона, которое понижает |JM R|.Действие этих двух факторов в гранулированных структурах, находящихся в суперпарамагнитном состоянии, дает температурно- концентрационные зависимости, имеющиеследующие характерные черты: наличие максимума магнитосопротивления при определенной концентрации гранул xm ; увеличение температурных изменений магнитосопро335тивления при понижении x, где x < xm ; сдвиг xm в сторону меньших концентраций припонижении температуры.(3) Проявление характерных особенностей концентрационных зависимостей отрицательного магнитосопротивления при разных температурах и отсутствие насыщения магнитосопротивления в сильных магнитных полях в исследованных гранулированных пленкахa-SiO2 (Co,Nb,Ta) свидетельствуют о том, что электронный транспорт осуществляется посредством неупругого резонансного туннелирования через цепочку локализованных состояний в аморфной матрице a-SiO2 между гранулами.
Из анализа зависимостей магнитосопротивления можно заключить, что определенный вклад в зависимости проводимостиот температуры в исследованных пленках вносит неупругое резонансное туннелированиечерез локализованные состояния между гранулами.(4) Если существует спин-орбитальное взаимодействие между кластерными электронными состояниями, образующимися на группе ферромагнитных металлических наночастиц,и спинами наночастиц, то действие магнитного поля с величиной большей поля насыщения и упорядочивающей спины наночастиц, должно приводить к увеличению размералокализации кластерных электронных состояний. Наличие этих спин-упорядоченных состояний, которые становятся метастабильными после снятия поля, позволяет объяснитьэффект положительного магнитосопротивления.МыисследовалиэлектронныйспиновыйтранспортвгетероструктурахSiO2 (Co)/GaAs, TiO2 (Co)/GaAs и SiO2 (Co)/Si, где SiO2 (Co) (TiO2 (Co)) является гранулированной пленкой SiO2 (TiO2 ) с наночастицами Co и получили следующие результаты.(5) В гетероструктурах SiO2 (Co)/GaAs наблюдается эффект гигантского инжекционногомагнитосопротивления (IMR) как до, так и при развитии лавинного процесса в полупроводнике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
