Високочастотний спіновий конденсатор

Реферат: Винахід належить до наноелектроніки і конденсаторобудування і може бути використаний в сучасних електронних спінтронних напівпровідникових приладах, в яких використовуються процеси переносу і акумуляції спін-поляризованих носіїв заряду. Високочастотний спіновий конденсатор являє собою вертикальну двобар'єрну гібридну гетероструктуру, яка сформована на основі напівпровідника р-типу провідності з шаруватою кристалічною структурою, що містить в собі впорядковано розташовані нанорозмірні тривимірні (3D) сегнетоелектричні включення. Високочастотна електрична ємність пристрою обумовлена транспортом спін-поляризованих електронів, які акумулюються в області спін-селективного бар'єру структури, через систему квантових ям в нанокомпозитному матеріалі в сильних електричних полях, локалізованих в області сегнетоелектричних включень. Технічним результатом винаходу є підвищення питомої ємності електричних конденсаторів на високих (більших, ніж 1 МГц) частотах і розширення UA 104430 C2 (12) UA 104430 C2 класу електронних приладів, в яких використовується акумуляція і перенос спін-поляризованих електронів при високій (кімнатній) температурі. UA 104430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до наноелектроніки і конденсаторобудування і може бути використаний в сучасних електронних спінтронних напівпровідникових приладах, в яких використовуються процеси переносу і акумуляції носіїв заряду з локалізованим спіном ("спін-поляризованих" носіїв) [1,2]. Концепція "спінового конденсатора "[3] ґрунтується на використанні бар'єрних гібридних наноструктур "феромагнітний метал-напівпровідник" і різних наногетероструктур на їх основі [2] або наноструктур "феромагнітний метал-оксид-напівпровідник" [3] для накопичення спін-поляризованих носіїв в цих структурах при прикладанні до них малої (менше декількох В) постійної електричної напруги зміщення. Ці пристрої використовуються для перетворення потоку неполяризованих електричних зарядів (зазвичай електронів), які мають різні за напрямком спінові магнітні моменти (   ) і (   ), тобто" spin-up" і "spin-down" електронів [1,2], в потік спін-поляризованих електронів з однаковим за напрямком спіновим магнітним моментом. Акумуляція спін-поляризованих електронів в немагнітному напівпровіднику може бути здійснена при кімнатній температурі в результаті тунелювання електронів з напівпровідника, який має гстип провідності, в метал через спін-селективний  -подібний бар'єр в гібридних бар'єрних структурах "феромагнітний метал-напівпровідник" [2,4]. В цих структурах тунелювання спінполяризованих електронів з заданим напрямком спінового магнітного моменту (екстракція спінів) проходить через ультратонкий (товщина менше 1-2 нм) сильнолегований шар напівпровідника, який розташований на границі розділу між металом і напівпровідником. В пристроях [4,5] густина акумульованого спін-поляризованого заряду і величина спінового струму залежать від густини станів на поверхні Фермі для феромагнітного металу і напівпровідника, спінової дифузійної довжини (часу життя спіну в даному стані) в напівпровіднику при заданій температурі, товщини шару напівпровідника, в якому акумулюються спіни. Акумульовані спінполяризовані носії в пристрої [4] накопичуються в вузькій області в околі границі розділу "феромагнітний метал-напівпровідник" на відстані, яка менше ніж спінова дифузійна довжина. Питома електрична ємність таких структур на частотах більших ніж 1 МГц мала. Це пов'язано з малими значеннями часу життя спіну електронів в даному стані (без перевороту) в напівпровідниках n-типу і з явищем "спінової блокади", яке впливає на дифузію спінполяризованих електронів в напівпровіднику. В гібридних наногетероструктурах з квантовою ямою "(феромагнітний метал) - (сильнолегований напівпровідник n-типу провідності) (вузькозонний напівпровідник n-типу провідності)- (напівпровідник р-типу провідності)" [5] акумульовані спін-поляризовані електрони рекомбінують з неполяризованими дірками напівпровідника р-типу провідності з випромінюванням поляризованого світла. Електрична ємність такого високочастотного фотоперетворювача також дуже мала. Для генерації спін-поляризованого струму з високим ступенем поляризації може бути використаний напівпровідниковий пристрій, який складається з шарів напівпровідників n- і ртипу провідності і розташованої між ними квантової ями, при прикладанні до напівпровідника з p-типом провідності зовнішнього електричного поля [6]. Питома високочастотна електрична ємність таких структур мала. Це пов'язано з низькими значеннями часу життя спіну електронів в даному стані (без перевороту) в напівпровідниках при кімнатній температурі, які не перевищують ~1 нс |2]. До істотних недоліків цього пристрою належить також необхідність застосування в ньому окремого зовнішнього джерела електричної напруги, яке повинно забезпечити величину напруженості електричного поля в напівпровіднику з р-типом провідності 3 6 в межах від 10 В/см до 10 В/см. Бар'єрні структури, які мають макроскопічні розміри і в яких використовується електричний -9 транспорт неполяризованих носіїв заряду, мають малу питому електричну ємність ~ (10 – 10 10 2 ) Ф/мм на частотах більших ніж 1 МГц. Електрична ємність таких структур складається з "бар'єрної" і "геометричної" ємностей. При збільшенні частоти "бар'єрна" ємність зменшується і повна ємність структур прямує до значення "геометричної" ємності, яка визначається площею обкладинок конденсаторів, а також товщиною і величиною діелектричної проникливості шару, що знаходиться між їх обкладинками. В загальному випадку питома електрична ємність нанорозмірних структур з багаточисельними квантовими ямами складається не тільки з "геометричної"" ємності. Вона має також "квантову" складову, яка пов'язана з акумуляцією електричного заряду в квантових ямах при переносі електронів між електродами цих структур. Квантова ємність визначається процесами зарядки І розрядки квантових ям і часом життя електронів в квантових ямах при їх тунелюванні між сусідніми квантовими ямами [7]. Питома ємність квантово-розмірних структур з багаточисельними квантовими ямами [7], в яких використовується вертикальний транспорт неполяризованих за спіном електричних носіїв, на . -9 2 високих частотах (більших ніж 1 МГц) не перевищує величини ~(1-10) 10 Ф/мм . Такі низькі значення високочастотної питомої ємності обумовлені тим, що на цих частотах квантові ями не встигають перезарядитись при проходженні малого змінного електричного сигналу. 1 UA 104430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найближчим за технічною суттю до запропонованого пристрою є високочастотний конденсатор, який містить велику кількість послідовно упакованих в стопу шарів "металсегнетоелектрик-метал". Цей пристрій характеризується високою питомою електричною . -7 2 ємністю (~5 10 Ф/мм ) при кімнатній температурі на частотах більших ніж 1 МГц [8]. Вона обумовлена високим значенням геометричної ємності структури, що досягається застосуванням сегнетоелектричних матеріалів з високими значеннями діелектричної проникливості. В цьому пристрої використовується транспорт неполяризованих носіїв, які акумулюються на границях між тонкими (товщина ~ 50 нм) шарами сегнетоелектрика і металу. До недоліків цього пристрою належить сильна залежність його електричної ємності від температури і частоти, що пов'язано з температурною і частотною залежністю відносної діелектричної проникливості сегнетоелектрика. Крім того, для виготовлення пристрою [8] необхідно здійснити послідовне нарощування великої кількості шарів сегнетоелектрика і металу на підкладці, що потребує значно більших матеріально-енергетичних затрат при виробництві наноструктур в порівнянні з технологією їх формування шляхом самоорганізації. Задачею даного винаходу є підвищення питомої ємності електричних конденсаторів на високих (більших ніж 1 МГц) частотах і розширення класу електронних приладів, в яких використовується акумуляція і перенос спін-поляризованих електронів при високій (кімнатній) температурі. Поставлена задача вирішується тим, що в гібридній бар'єрній гетероструктурі, що містить в собі послідовно розташовані тонкий шар феромагнітного металу, шар напівпровідника n-типу провідності, який має ультратонку сильнолеговану область на границі розділу між цим напівпровідником і феромагнітним металом, а також напівпровідниковий матеріал р-типу провідності, як напівпровідниковий матеріал n-типу провідності береться нанокомпозитний матеріал, створений на основі напівпровідника р-типу провідності з шаруватою кристалічною структурою, який має менше значення ширини забороненої зони в порівнянні з напівпровідником n-типу провідності і містить в собі тривимірні (3D) нанорозмірні сегнетоелектричні включення. Схема запропонованого пристрою показана на фіг. 1. Він складається з спінового фільтра: + феромагнітний метал (2) - напівпровідник n -типу провідності (3); гетеропереходу: напівпровідник n-типу провідності (4)- шаруватий напівпровідник р-типу провідності (5) з нанорозмірними сегнетоелектричними включеннями (6); невипрямляючих (омічних) контактів (1) і (7). Постійна напруга (V