Нижегородские ученые впервые смогли получить ферромагнитный полупроводник, который сохраняет свои свойства при комнатной температуре. Их исследование опубликовано в журнале Semiconductor Science and Technology.
Современная микроэлектроника постепенно приближается к фундаментальному физическому пределу, после которого дальше уменьшать компоненты станет невозможно. Быстродействие отдельных микроэлектронных компонентов также достигло предела. Поэтому в ближайшее время развитие микроэлектронных приборов будет идти исключительно экстенсивным путем, то есть для увеличения вычислительной мощности процессора или увеличения объема памяти можно будет только увеличивать число компонентов. Это повлечет за собой и увеличение кристаллов приборов, потребляемой и выделяемой энергии, а также усиление проблемы передачи сигналов между отдельными блоками интегральной схемы.
Поэтому современная микроэлектроника требует перехода к альтернативным способам функционирования приборов, которые используют ранее не задействованные свойства носителей заряда и новые физические эффекты. Особо привлекательны методы использования не только заряда, но и спиновой свободы электрона. Этим занимается спиновая электроника, или спинтроника. Главной фундаментальной проблемой этой науки является создание полупроводникового материала, который можно будет использовать в приборах.
Такой полупроводник должен обладать рядом свойств: иметь поляризованные по спину электроны при достаточно высоких температурах (желательно выше комнатной), быть доступным для получения в достаточно большом объеме и быть совместимым с существующими полупроводниковыми технологиями. Уже более 20 лет ученые стараются разработать подходящие ферромагнитные проводники — материалы, сочетающие в себе свойства полупроводника и ферромагнетика, что позволяет обеспечить спиновую поляризацию носителей заряда. Чаще всего их получают с помощью введения большой концентрации атомов магнитных элементов при выращивании полупроводниковых пленок. И хотя материал будет обладать ферромагнитными свойствами, сложно заставить его делать это при комнатной температуре.
Но ученые из Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского и Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН смогли это сделать. Российские исследователи получили ферромагнитный проводник GaAs:Fe, содержание железа в котором около 20% атомов. Он сохраняет свои ферромагнитные свойства даже при комнатной температуре. В основе его лежит полупроводник GaAs, который широко применяется в электронике.
«Разработанная в НИФТИ ННГУ технология выращивания сильнолегированных полупроводниковых эпитаксиальных слоев позволила впервые реализовать слои GaAs:Fe, сохраняющие полупроводниковые свойства базового материала GaAs и обладающего высокотемпературными ферромагнитными свойствами, следовательно, поляризованными по спину электронами. Это открывает потенциальную возможность практической реализации приборов спинтроники на основе распространенного и технологичного материала», — рассказал руководитель исследования, старший научный сотрудник Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ Алексей Кудрин.
