Исследователям из лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского центра НБИКС-технологий впервые в мире удалось синтезировать монокристаллические эпитаксиальные пленки EuO непосредственно на кремнии и определить их структурные, электронные и магнитные свойства. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.

До недавнего времени последовательное улучшение характеристик и уменьшение стоимости приборов микроэлектроники достигалось в согласии с законом Мура. Количество транзисторов в интегральных схемах удваивалось каждые два года, пропорционально росла и рабочая частота.

Однако миниатюризация элементов микросхем ведет к тому, что в силу различных фундаментальных физических ограничений перестают работать принципы, положенные в основу действия устройств на основе кремния. В 2003 году закон Мура дал первый сбой: в том году согласно прогнозам аналитического отдела INTEL транзисторы должны были функционировать на частоте 4 ГГц, а к 2007 году на 10 ГГц, но до сих пор процессоры работают на частотах, не превышающих 3,2 ГГц.

Электронная структура EuO/Si, полученная методом ARPES с использованием мягких рентгеновсих лучей. Lev et al., 2016

Чтобы преодолеть этот физический барьер, во всем мире разрабатывают технологии спинтроники, для которых нужно эпитаксиально соединять кремний с ферромагнитным полупроводником. Это означает, что кристаллы полупроводника нужно выращивать непосредственно на кристаллах кремния. Так получаются так называемые эпитаксиальные спиновые контакты.

Один из лучших кандидатов на верхний слой «спинтронного бутерброда» — оксид европия. EuO — единственный магнитный бинарный оксидный полупроводник, который может быть термодинамически стабильным в контакте с кремнием. Материал обладает такими важными для спинтроники характеристиками, как стопроцентная поляризация по спину, демонстрирует гигантское магнетосопротивление, а также переход изолятор-металл.

Тем не менее интегрировать пленки оксида европия с кремниевой подложкой очень сложно: кристаллическая решетка его не совпадает с кристаллической решеткой кремния, кроме этого, на начальном этапе роста пленки параллельно с EuO образуются и другие оксиды, а также силициды, что сильно снижает характеристики интерфейса.

«Эти сложности не позволили создание эпитаксиальных спиновых контактов к кремнию до 2016 года, несмотря на значительные усилия более чем двух десятков экспериментальных групп в Европе, США и Японии, а также существенные материальные инвестиции. Однако нашей группе впервые в мире удалось синтезировать монокристаллические эпитаксиальные пленки EuO непосредственно на кремнии и определить их структурные, электронные и магнитные свойства. Полученные результаты открывают широкие перспективы создания спиновых инжекторов и спиновых транзисторов элементной базы кремниевой спинтроники», — говорит Вячеслав Сторчак, глава лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского центра НБИКС-технологий.

Результаты работы по проекту ученые представили в серии статей, вышедших в авторитетных научных журналах, в том числе Scientific Reports, Nanotechnology, Nanoscale, Applied Materials&Interfaces.