Учёные из Исследовательской Лаборатории ВМФ США смогли добиться эффективной инжекции тока спин-поляризованных электронов из ферромагнитного электрода в кремний.

Кремний является самым распространённым материалом для создания полупроводниковых устройств – основы современной электроники. Открытие американских учёных представляет собой важный шаг на пути к созданию устройств, использующих не только заряд, но и спин электрона в качестве носителя информации. Такие технологии позволят создавать более эффективные устройства с меньшим потреблением мощности и рассеянием тепла.

До сих пор для повышения эффективности устройств электронная индустрия использовала уменьшение размеров элементов, таких как транзисторы. Однако, очевидно, что по мере приближения к атомным размерам такой подход рано или поздно станет невозможным, и необходимо разрабатывать новые стратегии развития электроники. В качестве одного из возможных решений была предложена спинтроника – использование для переноса информации не только заряда, но и спина электрона, что должно позволить более эффективно использовать доступный размер устройств.

Поначалу большая часть исследований в этом направлении проводилась на полупроводниках III-V групп с прямой энергетической щелью – таких, как арсенид галлия. В этих материалах сравнительно просто применять методы оптической спектроскопии для детального изучения спиновых свойств. Были достигнуты высокие степени спиновой поляризации электронов, что является одним из ключевых параметров для успешной реализации технологии.

Для кремния, напротив, значительных успехов достигнуто не было – несмотря на его колоссальное преобладание в полупроводниковой промышленности. Эффективная инжекция спина оставалась «Святым Граалем» полупроводниковой спинтроники. Однако, в недавней работе учёных из Исследовательской Лаборатории ВМФ США была продемонстрирована возможность создания высокой степени поляризации спина в кремнии при инжектировании электронов из ферромагнитного металлического электрода (например, железного). Контакт создавался методом вакуумного напыления после обычной влажной химической очистки кремниевой подложки.

Схема эксперимента по созданию люминесцентных кремниевых светодиодов, демонстрирующих эффективную инжекцию спин-поляризованных электронов в кремний через туннельный контакт железо-оксид алюминия.

Новый подход позволяет добиться практически 100% эффективности конверсии и низких напряжений смещения (порядка 2 эВ), совместимых с технологией комплементарных МОП-структур (CMOS). Проанализировав слабую электролюминесценцию, возникающую в кремнии, исследователи заключили, что нижний порог поляризации спинов составляет как минимум 30%. Для сравнения, в магнитных металлах, таких как железо или пермаллой, степень поляризации составляет около 40–45%. Успешное осуществление эффективной спиновой инжекции и достижение высокой степени поляризации спина с использованием простого магнитного туннельного перехода, совместимого с существующими технологиями обработки кремния, должно значительно поспособствовать созданию кремниевых спинтронных устройств.

Василий Артюхов