Транспортные свойства гетероструктур на основе магнитных полупроводников

• Автор: Ермолов, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Глава I. Обзор литературы
1Л. О взаимосвязи электронной и магнитной подсистем в ФП и её использование в современных нано- и гетеросистемах
1.2. Необходимые свойства материалов-партнеров для создания идеальных гетеросистем на основе ферромагнитных полупроводников
1.3. Методы расчета туннельной прозрачности
Глава II. Резонансное и нерезонансное туннелирование в гетеросистемах на основе ФП
2.1. Энергетические диаграммы гетеропереходов
2.2. Определение туннельной прозрачности в приближении «периодических рассеивателей»
2.3. Определение туннельной прозрачности в приближении «узкой зоны»
2.4. Учет влияния флуктуаций магнитного порядка на туннельную прозрачность гетероструктур на основе магнитных полупроводников
Глава III. Анализ транспортных свойств гетероструктур Еп8-РЬ8 и Еи8-8т8 в приближении полуэмпирического метода сильной связи
3.1. Определение матричных элементов в методе ЖАО при описании зонной структуры полупроводников, составляющих гетеросистему
3.2. Описание гетероструктур в методе ЖАО
3.3. Транспортные свойства гетероструктур в рамках многозонной модели
Глава IV. Влияние туннелирования по интерфейсным и инверсионным состояниям гетеропереходов на туннельную прозрачность гетероструктур
4.1. Резонансное туннелирование в сверхрешетках, расчет в рамках формализма вторичного квантования
4.2. Анализ влияния локализованных состояний на прозрачность гетеробарьеров методом функций Грина
4.3. Учет влияния инверсионных состояний на туннельную прозрачность и вид дисперсионных кривых Е(к)
Заключение
Библиографический список использованной литературы

Интенсивное развитие микроэлектроники требует создания новых материалов с заданными свойствами. Эта задача решается разработкой многослойных полупроводниковых систем. Применение гетероструктур в микро и наноэлектронике позволило совершить настоящий переворот в информационных технологиях. По предсказаниям ряда авторов [1-5] будущее высокоскоростной электроники - за гетероструктурами, которые в этом веке оставят для гомоструктур «всего лишь один процент». Сегодня невозможно представить себе современную физику твердого тела без полупроводниковых гетероструктур, которые являются сегодня предметом исследований 2/3 исследовательских групп, работающих в области физики полупроводников [6]. Интерес к подобным структурам во многом обусловлен тем, что в них, по сравнению с однородными полупроводниками, существенно меняются многие электронные свойства - возникает большое число новых, так называемых размерных эффектов, обусловленных анизотропией среды ограничивающей движение электрона.
Г етероструктурой называется полупроводниковая структура с несколькими гетеропереходами. Гетеропереход же образуется при контакте двух различных по химическому составу полупроводников. В случае периодически чередующихся гетеропереходов подобная структура будет называться сверхрешеткой. По сути, сверхрешетка представляет собой набор связанных квантовых ям. Появление дополнительного периода (толщина слоя ямы + толщина слоя барьера), превышающего период кристаллической решетки приводит к изменению энергетического спектра структуры, позволяя регулировать зонную структуру сверхрешетки на этапе проектирования подбором материалов и протяженностью их слоев.
В сверхрешетках, наряду с размерными эффектами, проявляются и туннельные, что связанно с межъямным просачиванием электронов сквозь разделяющие их барьеры. Такие системы часто называют новым типом

полупроводника, из-за особенностей их «зонной структуры», которая разбивается под влиянием сверхрешеточного потенциала на минизоны [7-10]. Сверхрешетки обладают рядом свойств, отсутствующими у обычных полупроводников, например, отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленным брегговским отражениям электронов от потенциального барьера на гетеропереходе. Практический интерес обусловлен возможностью путем подбора составляющих сверхрешетку материалов и толщины их слоев «синтезировать» полупроводниковые структуры с наперед заданными параметрами: шириной разрешенных и запрещенных зон, значениями эффективных масс носителей заряда и т.п.
К числу наиболее перспективных и актуальных проблем исследования в физике согласно [11] отнесены исследования в физике полупроводников, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик.
Начало новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance — GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные моменты в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны.
В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve). Он состоит из двух слоев ферромагнетика, разделенных тонким слоем немагнитного металла. В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", обычно с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика, где образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" - его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных

тм(Юг
_1 | | | Г

-2 -1 б
-и Я/Г
а) б)
Рис. 2.4.1. Зависимость полной прозрачности барьера от энергии туннелирующего электрона в случаях: а) предельно медленных флуктуаций обменного поля,
I —> со; б) предельно быстрых флуктуаций обменного поля, с «
Таким образом показано, что наличие ^состояний существенно влияет на величину коэффициента проникновения Т(Е) гетероструктуры 8ш8-Еи8-ЗшБ для определенного направления спинов туннелирующих электронов. Так добавление резонансного туннелирования по 4С - состояниям в барьере заметно повышает его прозрачность Т|=Т'+Т"+Т'". Это, в соответствии с экспоненциальным характером параметра гибридизации д^р, будет давать существенно больший вклад, чем Т>=Т, особенно в области резонансного туннелирования (Е^Е/-, где Т'«Т"«Т"'). В таком случае туннельную прозрачность гетеробарьера можно изменять магнитным полем, что в свою очередь может стать причиной резкого изменения магнитосопротивления такой композиционной системы.
Рассмотрено также влияние флуктуаций обменной энергии на величину туннельной прозрачности. В случае предельно медленных флуктуаций обменного поля туннелирование является квазиупругим и прозрачность барьера имеет двухпиковую структуру. Когда tL.«/0, туннелирование становится существенно неупругим и туннельная прозрачность имеет вид лоренцевского пика.