Магнитотранспортные свойства гибридных структур Fe/SiO2/p-Si тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Тарасов, Антон Сергеевич

• Тарасов, Антон Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тарасов, Антон Сергеевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Гибридные структуры ферромагнетик/диэлектрик/ 10 полупроводник

1.1 Рассогласование проводимостей

1.2 Выбор материалов при формировании гибридных структур

1.3 Геометрия ток в плоскости структуры

1.4 Топология структур, многотерминальная геометрия

1.5 Эффект Ханле; анизотропное магнитосопротивление; магнитное 25 расщепление спиновых подзон в двумерном электронном газе

1.6 Гибридные структуры на переменном токе

1.7 Отклик гибридных структур на воздействие оптического излучения

1.8 Визуализация спинового транспорта в гибридных структурах

Выводы и постановка задачи

Глава 2. Экспериментальные методы исследования гибридных струк- 43 тур. Получение образцов.

2.1 Описание технологии получения образцов

2.2 Экспериментальные методы исследования гибридных структур

2.2.2 Установка для прецизионных исследований транспортных и маг- 49 нитотранспортных свойств структур на постоянном токе

2.2.3 Установка для прецизионных исследований транспортных и маг- 50 нитотранспортных свойств структур на переменном токе

Основные результаты

Глава 3. Гибридные структуры Ре/8Ю2/р-8к транспортные и магнито- 53 транспортные свойства на постоянном токе

3.1 Транспортные и магнитотранспортные свойства

3.2 Диод с барьером Шоттки

3.3 Механизмы магниторезистивного эффекта 66 Основные результаты

Глава 4. Исследования частотно-зависимых магнитотранспортных 71 свойств планарного устройства на основе гибридной Ре/8Ю2/р-81 структуры с барьером Шоттки

4.1 Импеданс без магнитного поля

4.2 Импеданс в магнитном поле

4.3 Поверхностные центры

4.4 Механизм влияния магнитного поля

Основные результаты

Глава 5. Исследования транспортных и магнитотранспортных свойств 96 гибридных структур Ре/8Ю2/р-81 с барьером Шоттки в неравновесных условиях, созданных оптическим излучением

5.1 Низкотемпературные особенности фотоэлектрического эффекта

5.2 Транспортные свойства планарного устройства в условиях оптиче- 99 ского облучения

5.3 Оптически индуцированный магниторезистивный эффект 103 Основные результаты

Заключение

Список цитируемых источников литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитотранспортные свойства гибридных структур Fe/SiO2/p-Si»

Введение

Актуальность темы.

Спинтороника - область физики конденсированного состояния, изучающая спиновые явления с целью улучшения эффективности электронных устройств и придания им новой функциональности за счет использования не только заряда, но и спина электрона.

Большие ожидания в спинтронике связаны с гибридными наноструктурами, объединяющими в себе «классические» полупроводники и магнитные материалы. С одной стороны хорошо известен потенциал магнитных структур (спин-вентильные структуры, магнитные туннельные структуры), которые уже нашли свое применение в устройствах магнитной памяти. Очевидны преимущества таких устройств: быстродействие, энергонезависимость, высокая стабильность. С другой стороны полупроводниковые материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах изменением температуры, допированием примесями, электрическим полем, оптическим излучением, что, в конечном счете, и определяет огромный потенциал современных полупроводниковых технологий.

Вполне объяснимо, что в настоящее время основные усилия исследователей направлены на решение фундаментальных задач спиновой инжекции, детектирования спинового состояния и управления таким состоянием в полупроводниках. Это прямой путь к построению элементов обработки и передачи сигнала в полупроводниках с использованием спиновых степеней свободы. Вместе с тем, на сегодняшний день остается много вопросов, касающихся спин-зависимых эффектов в гибридных структурах, как технологического, так и фундаментального характера.

Следует отметить два характерных момента, имеющих отношение к кремниевым гибридным структурам. Первый касается того факта, что вся кремниевая полупроводниковая электроника построена по планарной технологии. Это предъявляет определенные требования и к гибридным кремние-

вым структурам - они должны быть совместимы с такой технологией. Второй характерный момент связан с решением принципиальных вопросов ин-жекции и экстракции спин-поляризованного тока в полупроводник и из полупроводника. Решение многих возникающих при этом проблем видится в формировании границы раздела ферромагнетик-полупроводник с сопротивлением, зависящим от спиновой поляризации электронного тока. Простейший способ это реализовать - формировать на границе туннельные переходы.

Немаловажный вопрос - электрические свойства гибридных структур на переменном токе. Необходимость исследования импеданса и магнитоимпе-данса в магнитных гибридных наноструктурах диктуется, в первую очередь, возможностью их применения в устройствах, работающих на высоких частотах. Но, с другой стороны, использование импедансной спектроскопии открывает путь для более пристального взгляда на природу явлений имеющих место в гибридных структурах

Кроме того, огромный интерес представляют исследования спин-зависимого транспорта в структурах ферромагнетик/полупроводник в случае внешних комбинированных воздействий (магнитное и электрическое поле, СВЧ и оптическое излучение). Исследуя характер отклика можно получать дополнительную информацию фундаментального характера о спин-зависимых процессах, имеющих место в гибридных структурах. Также, подобные исследования позволят обнаружить новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления им в полупроводниках.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение явлений магнитозависимого электронного транспорта в гибридных структурах Ре/8Ю2/р-81 и простейших устройствах на их основе. В связи с этим, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Провести исследования транспортных и магнитотранспортных свойств структуры Ре/8Ю2/р-81 и планарного устройства Ре/8Ю2/р-81 на постоянном токе в широком температурном диапазоне.

2. Исследовать поведение импеданса планарного устройства Ре/8Ю2/р-81 в зависимости от температуры, магнитного поля и частоты прикладываемого переменного напряжения.

3. Провести исследование влияния комбинированного воздействия оптического облучения и магнитного поля на транспортные свойства структуры Ре/8Ю2/р-81 и планарного устройства Ре/8Ю2/р-8ь

Научная новизна.

1. Обнаружен эффект переключения токовых каналов между слоями структуры Ре/8Ю2/р-8ь Установлено, что особенности транспортных свойств определяются переходом метал/диэлектрик/полупроводник с барьером Шоттки, который формируется на границе раздела 8Ю2/р-8ь

2. Обнаружен эффект положительного магнитосопротивления в исследуемых структурах при температурах выше 250 К , который обусловлен механизмом слабой локализации, имеющим место при протекании тока в объеме полупроводника.

3. Впервые для планарного устройства, представляющего собой два диода Шоттки, включенных навстречу друг другу, обнаружен магниторези-стивный эффект, управляемый током смещения. Установлено, что эффект отрицательного магнитосопротивления наблюдается при переходе диода в режим инверсии. Поэтому отрицательное магнитосопротивление необходимо связывать с инверсионным слоем, который формируется в узком слое вблизи границы 8Ю2/р-8ь

4. Впервые обнаружен гигантский частотно-зависимый магниторезистив-ный эффект на переменном токе для гибридных структур. Установлено, что особенности транспортных свойств на переменном токе обусловлены процессами перезарядки поверхностных центров на границе раздела 8Ю2/р-8ь Основной механизм магнитосопротивления - изменение энер-

гетической структуры уровней поверхностных состояний в магнитном поле.

5. Впервые обнаружен оптически индуцированный гигантский магниторе-зистивный эффект достигающий величин 104 % в магнитных полях не более 2 кЭ при температуре Т = 15 К. Выявлена сильная зависимость величины и знакы оптически индуцированного гигантского магниторези-стивного эффекта от смещения на устройстве и направления приложенного магнитного поля. Установлено, что, как и в случае с магнитоимпе-дансом, за данный эффект ответственны поверхностные центры. Практическая значимость. Результаты проведенных исследований позволяют получить дополнительную информацию о процессах, имеющих место в гибридных структурах при протекании транспортного тока, открыть новые возможности контроля спинового состояния носителей заряда и активного управления ими. Полученные результаты открывают новое направление в кремниевой спинтронике - использование явлений спин-зависимого туннелирования и спинового транспорта в целом в гибридных структурах с участием «магнитных» поверхностных центров. Принимая во внимание, высокий уровень развития полупроводниковой технологии, можно задуматься о целенаправленном создании «магнитных» поверхностных центров с заданными свойствами в гибридных структурах с барьером Шоттки. Это позволит реализовать магнитозависимые эффекты перспективные для применения в устройствах спинтроники при комнатных температурах и в заданных частотных диапазонах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационой работы докладывались на: 4-ом Евразийском симпозиуме по магнетизму «Trends in MAGnetism» (EASTMAG), 2010, Екатеринбург; на 5-ом Московском международном симпозиуме по магнетизму «MISM», 2011, Москва; на совместном Европейском магнитном симпозиуме «JEMS2012», 2012, Парма, Италия; на 16-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Ниж-

ний Новгород, 2012; на 17-ом международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 2013.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 124-ех страницах машинописного текста, включая 55 рисунков. Библиографический список содержит 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Тарасов, Антон Сергеевич

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Обнаружен эффект переключения токовых каналов между слоями структуры Ре/8Ю2/р-81. Установлено, что особенности транспортных свойств определяются переходом метал/диэлектрик/полу проводник с барьером Шоттки, который формируется на границе раздела 8Ю2/р-8ь Показано, что эффект положительного магнитосопротивления в исследуемых структурах обусловлен механизмом слабой локализации, имеющим место при протекании тока в объеме полупроводника.

2. Впервые обнаружен эффект отрицательного магнитосопротивления для планарного устройства изготовленного на основе структуры Ре/8Ю2/р-81. Установлено, что отрицательное магнитосопротивлене связано с инверсионным слоем, который формируется в узком слое вблизи границы 8Ю2/р-81 при определенных токах смещения.

3. Впервые обнаружен частотно-зависимый гигантский магниторезистив-ный эффект на переменном токе для планарного устройства Ре/8Ю2/р-8г Выявлено, что особенности транспортных свойств на переменном токе обусловлены процессами перезарядки поверхностных центров на границе раздела 8Ю2/р-8ь Установлено, что в магнитном поле происходит смещение энергетических уровней поверхностных центров в сторону более высоких энергий

4. Впервые обнаружен оптически индуцированный гигантский магниторе-зистивный эффект достигающий величин 104 % в магнитных полях не более 2 кЭ при температуре Т = 15 К. Обнаружена сильная зависимость величины оптически индуцированного гигантского магниторезистивно-го эффекта от смещения на структуре и направления приложенного магнитного поля. Установлено, что, как и в случае с магнитоимпедансом, за данный эффект ответственны поверхностные центры.

В заключение автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук Волкову Никите Валентиновичу за предложенную тему, внимание, поддержку и помощь в работе. Хочу поблагодарить Варнакова С.Н. за предоставленные образцы, Лексико-ва A.A. за помощь в получении планарных устройств, Еремина Е.В. за ценные методические указания и консультации, а также всех сотрудников лаборатории РСЭ за дружеский интерес и полезные советы в ходе работы.

Список цитируемых источников литературы

А. Ферт. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники // УФН. -2008-В. 178-С. 1336.

П.А. Грюнберг. От спиновых волн к гигантскому магнетосопротивле-нию и далее // УФН. - 2008 - В. 178 - С. 1349.

A. Fert. The present and the future of spintronics // Thin Solid Films. - 2008 -V. 2-5-P. 517.

4. G. Schmidt, D. Ferrand, and L. W. Molenkamp. Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor // Phys. Rev. B. - 2000 - V. 62 - P. R4790.

5. W. Y. Lee, S. Gardelis, В. C. Choi, Y. B. Xu, C. G. Smith, С. H. W. Barnes, D. A. Ritchie, E. H. Linfield, and J. A. C. Bland. Magnetization reversal and magnetoresistance in a lateral spin-injection device // J. Appl. Phys. - 1999 -V. 85-P. 6682.

6. P. R. Hammar, B. R. Bennet, M. J. Yang, and M. Johnson. Observation of Spin Injection at a Ferromagnet-Semiconductor Interface // Phys. Rev. Lett. -1999-V. 83-P. 203.

7. R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag, and L. W. Molenkamp. Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode // Nature. - 1999 - V. 402 - P. 787.

8. Y. Ohno, D. K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno, and D. D. Awschalom. Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heter-ostructure // Nature. - 1999 - V. 402 - P. 790.

9. P. C. van Son, H. van Kempen, and P. Wyder. Boundary Resistance of the Ferromagnetic-Nonferromagnetic Metal Interface // Phys. Rev. Lett. - 1975 -V. 58-P. 2271.

10. T. Valet and A. Fert. Theory of the perpendicular magnetoresistance in magnetic multilayers // Phys. Rev. B. - 1993 - V. 48 - P. 7099.

11. F. J. Jedema, B. J. van Wees, B. H. Hoving, A. T. Filip, and T. M. Klapwijk. Spin-accumulation-induced resistance in mesoscopic ferromagnet-superconductor junctions // Phys. Rev. B. - 1999 - V. 60 - P. 16549.

12. A. Fert, H. Jaffres. Conditions for efficient spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor // Phys. Rev. B. - 2001 - V. 64 - P. 184420.

13. D. Monsma and S. Parkin. Spin polarization of tunneling current from ferro-magnet/Al203 interfaces using copper-doped aluminum superconducting films // Appl. Phys. Lett. - 2000 - V. 77 - P. 720.

14. Y. Ando, K. Hamaya, K. Kasahara, Y. Kishi, K. Ueda, K. Sawano, T. Sadoh, and M. Miyao., Electrical injection and detection of spin-polarized electrons in silicon through an Fe3Si/Si Schottky tunnel barrier // Appl. Phys. Lett. -2009-V. 94-P. 182105.

15. S. A. Crooker, M. Furis, X. Lou, C. Adelmann, D. L. Smith, C. J. Palmstrom, P. A. Crowell. Imaging Spin Transport in Lateral Ferromagnet/Semiconductor Structures // Science. - 2005 - V. 309 - P. 2191.

16. Min Shen, Semion Saikin, and Ming-C. Cheng. Monte Carlo modeling of spin injection through a Schottky barrier and spin transport in a semiconductor quantum well // J. Appl. Phys. - 2004 - V. 96 - P. 4319.

17. R. Jansen, B-C. Min, and S.P. Dash. Oscillatory spin-polarized tunneling from silicon quantum wells controlled by electric field // Nature Materials. -2010 - V. 9 - P. 133.

18. Saroj P. Dash, Sandeep Sharma, Ram S. Patel, Michel P. de Jong, Ron Jansen. Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature // Nature - 2009 - V. 462 - P. 491.

19. Ian Appelbaum, Biqin Huang, Douwe J. Monsma. Electronic measurement and control of spin transport in silicon // Nature. - 2007 - V. 447 - P. 295.

20. C. H. Li, G. Kioseoglou, O. M. J. van 't Erve, P. E. Thompson, and B. T. Jonker. Electrical spin injection into Si(001) through a SiOitunnel barrier // Appl. Phys. Lett. - 2009 - V. 95 - P. 172102.

21. J. Dai, L. Spinu, K-Y. Wang, L. Malkinski, and J. Tang. Channel switching and magnetoresistance of a metal-Si02-Si structure // Phys. D: Appl. Phys. -2000-V. 33-P. L65.

22. J. Tang, J. Dai, K. Wang, W. Zhou, N. Ruzycki, and U. Diebold. Current-controlled channel switching and magnetoresistance in an Fe3C island film supported on a Si substrate // J. Appl. Phys. - 2002 - V. 91 - P. 8411.

23. S. Witanachchi, H. Abou Mourad, H. Srikanth, and P. Mukherjee. Anomalous conductivity and positive magnetoresistance in FeSi-Si02-Sistructures in the vicinity of a resistive transition // Appl. Phys. Lett. - 2007 - V. 90 - P. 052102.

24. N. Overend, A. Nogaret, B. L. Gallagher, P. C. Main, M. Henini, C. H. Marrows, M. A. Howson, and S. P. Beaumont. Temperature dependence of large positive magnetoresistance in hybrid ferromagnetic/semiconductor devices // Appl. Phys. Lett. - 1998 - V. 72 - P. 1724.

25. V. N. Dobrovolsky, and A. N. Krolevets. Theory of magnetic-field-sensitive metal-oxide-semiconductor field-effect transistors // J. Appl. Phys. - 1999 -V. 85-P. 1956.

26. O. M. J. van't Erve, A. T. Hanbicki, M. Holub, C. H. Li, C. Awo-Affouda, P. E. Thompson, and B. T. Jonker. Electrical injection and detection of spin-polarized carriers in silicon in a lateral transport geometry // Appl. Phys. Lett. -2007- V. 91-P. 212109.

27. V. V. Osipov, A. M. Bratkovsky. Spin accumulation in degenerate semiconductors near modified Schottky contact with ferromagnets: spin injection and extraction // Phys. Rev. B. - 2005 - V. 72 - P. 115322.

28. A. Fert, A. Barthe'le'my, J. Ben Youssef, J.-P. Contour, V. Cros, J.M. De Teresa, A. Hamzic, J.M. George, G. Faini, J. Grollier, H. Jaffre's, H. Le Gall, F. Montaigne, F. Pailloux, F. Petroff. Review of recent results on spin polarized tunneling and magnetic switching by spin injection // Materials Science and Engineering. - 2001 - V. B84 - P. 1.

29. B. C. Min, K. Motohashi, J. C. Lodder, R. Jansen. Tunable spin-tunnel contacts to silicon using low-work-function ferromagnets // Nature Mater. - 2006 -V. 5-P. 817.

30. B. G. Park, T. Banerjee, J. C Lodder, R. Jansen. Tunnel spin polarization versus energy for clean and doped AI2O3 barriers // Phys. Rev. Lett. - 2007 - V. 99-P. 217206.

31. T. Ando, A. B. Fowler, F. Stern. Electronic properties of two-dimensional systems // Rev. Mod. Phys. - 1982 - V. 54 - P. 437.

32. W. C. Chien, C. K. Lo, L. C. Hsieh, Y. D. Yao, X. F. Han, Z. M. Zeng, T. Y. Peng, and P. Lin. Enhancement and inverse behaviors of magnetoimpedance in a magnetotunneling junction by driving frequency // Appl. Phys. Lett.

2006-V. 89-P. 202515.

33. P. Padhan, P. LeClair, A. Gupta, K. Tsunekawa, and D. D. Djayaprawira. Frequency-dependent magnetoresistance and magnetocapacitance properties of magnetic tunnel junctions with MgO tunnel barrier // Appl. Phys. Lett.

2007-V. 90-P. 142105.

34. Ming-Feng Kuo, Chao-Ming Fu, Xiu-Feng Han, Chia-Ou Chang, and ChanShin Chou. Bias voltage dependence of tunnel magnetoimpedance in AlOx-based magnetic tunnel junctions // J. Appl. Phys. - 2011 - V. 109 - P. 07C718.

35. S.K. Barik, and R. Mahendiran. Anomalous alternating current magnetoresistance in Lao.5Cao.5Mni2xNixC>3 (x=0.04) // J. Appl. Phys. - 2011 - V. 109 -P. 07D724.

36. M. Kanoun, R. Benabderrahmane, C. Duluard, C. Baraduc, N. Bruyant, H. Achard and A. Bsiesy. Electrical study of ferromagnet-oxide-semiconductor diode for a magnetic memory device integrated on silicon // Appl. Phys. Lett. — 2007- V. 90-P. 192508.

37. E. H. Nicollian, J. R. Brews. MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology // Wiley- Interscience. - New York - 1982.

38. С. К. Maiti, G. К. Dalapati, S. Chatterjee, S. K. Samanta, S. Varma, and S. Patil. Electrical properties of high permittivity Zr02 gate dielectrics on strained-Si // Solid-State Electron. - 2004 - V. 48 - P. 2235.

39. S. Q. Xiao, H. Wang, Z. C. Zhao, Y. Z. Gu, Y. X. Xia and Z. H. Wang. Lateral photovoltaic effect and magnetoresistance observed in Co-Si02-Si metal-oxide-semiconductor structures // Phys. D: Appl. Phys. - 2007 - V. 40 -P. 6926.

40. Kun Zhao, Kui-juan Jin, Huibin Lu, Yanhong Huang, Qingli Zhou, Meng He, Zhenghao Chen,Yueliang Zhou, and Guozhen Yang. Transient lateral photovoltaic effect in p-n heterojunctions of Ьао.78г0.зМпОз and Si // Appl. Phys. batters. -2006-V. 88-P. 141914.

41. M. Furis, D. .L Smith, S. Kos, E. S. Garlid, K. S. M. Reddy, C. J. Palmstrom, P. A. Crowell, and S. A. Crooker. Local Hanle-effect studies of spin drift and diffusion in n:GaAs epilayers and spin-transport devices // New Journal of Physics. - 2007 - V. 9 - P. 347.

42. С. H. Варнаков, А. А. Лепешев, С. Г. Овчинников, А. С. Паршин, М. М. Коршунов, P. Nevoral. Автоматизация технологического оборудования для получения многослойных структур в сверхвысоком вакууме // ПТЭ. -2004. - Т. 6.-С. 125.

43. I. Zutic, J. Fabian, and S.C. Erwin. Spin Injection and Detection in Silicon // Phys. Rev. Lett. - 2006 - V. 97 - P. 026602.

44. I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma. Spintronics: Fundamentals and applications // Rev. Mod. Phys. - 2004 - V. 76 - P. 323.

45. I.M. Tyryshkin, S.A. Lyon, A.V. Astashkin, and A.M. Raitsimring. Electron spin relaxation times of phosphorus donors in silicon // Phys. Rev. B. - 2003 -V. 68-P. 193207.

46. E.I. Rashba. Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem // Phys. Rev. B. - 2000 - V. 62 - P. R16267.

47. S.M. Sze. Semiconductor Devices // Wiley. - New York - 1985.

48. J.M. Ziman. Principes of the theory of solids // At the University Press. -Cambridge - 1972.

49. B.I. Shklovskii, and A.L. Efros. Electrical Properties of Doped Semiconductors // Springer. - Berlin - 1984.

50. P.A. Lee and T.V. Ramakrishnan. Disordered electronic systems // Rev. Mod. Phys.- 1985-V. 57-P. 287.

51. H.Kaiju, S. Fujita, T. Morozumi, and K. Shiiki. Magnetocapacitance effect of spin tunneling junctions // J. Appl. Phys. - 2002. - V.91. - P.7430.

52. T.Y. Peng, S.Y. Chen, L.C. Hsieh, C.K. Lo, Y.W. Huang, W.C. Chien, Y.D. Yao. Impedance behavior of spin-valve transistor // J. Appl. Phys. - 2006. -V.99. - P.08H710.

53. N. V. Volkov, A. S. Tarasov, E. V. Eremin, S. N. Varnakov, S. G. Ovchinni-kov and S. M. Zharkov. Magnetic-field- and bias-sensitive conductivity of a hybrid Fe/Si02/p-Si structure in planar geometry // J. Appl. Phys. - 2011. -V.109.-P. 123924.

54. D.L. Losee. Admittance spectroscopy of impurity levels in Schottky barriers // J. Appl. Phys. - 1975 - V. 46 - P. 2204.

55. A.A. Istratov, H. Hieslmair, E.R. Weber. Iron and its complexes in silicon // Appl. Phys. - 1999 - V. A 69- P. 13.

56. A. A. Istratov, H. Hieslmair, E. R. Weber. Iron contamination in silicon technology // Appl. Phys. - 2000 - V. A 70- P. 489.

57. Takeshi Yoshikawaa, Kazuki Moritab, Sakiko Kawanishia, Toshihiro Tanakaa. Thermodynamics of impurity elements in solid silicon / Journal of Alloys and Compounds. -2010 - V. 490 - P. 31.

58. H. Nakashima, T. Sadoh, and Tsurushima. Electrical and thermal properties of structurally metastable iron-boron pairs in silicon // Phys. Rev. B. - 1994 -V. 49-P. 16983.

59. K. Wunstel, P. Wagner. Interstitial iron and iron-acceptor pairs in silicon // Appl. Phys. - 1982 - V. A 27 - P. 207.

60. H. Lemke. Doping properties of Iron in Silicon // Phys. Status Solidi A. -1981-V. 64-P. 215.

61. S.D. Brotherton, P. Bradley, A. Gill. Iron and the iron-boron complex in silicon // J. Appl. Phys. - 1985 - V. 57 - P. 1941.

62. K. Graff, H. Pieper. The Properties of Iron in Silicon // J. Electrochem. Soc. -1981 -V.128-P. 669.

63. J.J.H.M. Schoonus, F.L. Bloom, W. Wagemans, H.J.M. Swagten, and B. Koopmans. Extremely Large Magnetoresistance in Boron-Doped Silicon // Phys. Rev. Lett. - 2008 - V.100 - P. 127202.

64. T.W. Hickmott. Admittance measurements of magnetic freezeout in n—type GaAs // Phys. Rev. B. - 1992 - V.46 - P. 12324.

65. Z.G. Sun, M. Mizuguchi, T. Manago, and H. Akinaga. Magnetic-field-controllable avalanche breakdown and giant magnetoresistive effects in Gold/semi-insulating-GaAs Schottky diode // Appl. Phys. Lett. - 2004 - V.85 -P. 5643.

66. M. Tran, H. Jaffres, C. Deranlot, J.-M. George, A. Fert, A. Miard, and A. Le-maitre. Enhancement of the Spin Accumulation at the Interface between a Spin-Polarized Tunnel Junction and a Semiconductor // Phys. Rev. Lett. -2009-V.102-P. 036601.

67. R. Jansen, A.M. Deac, H. Saito and S. Yuasa. Injection and detection of spin in a semiconductor by tunneling via interface states // Phys. Rev. B. - 2012 -V.85-P. 134420.

68. R. Jansen, S. P. Dash, S. Sharma, and B. C. Min. Silicon spintronics with ferromagnetic tunnel devices// Semicond. Sci. Technol. - 2012. - V.27. - P. 083001.

69. R. Jansen. Silicon spintronics // Nature Mater. - 2012 - V.ll - P. 400.

70. S.J. Steinmuller, C.M. Giirtler, G. Wastlbauer, and J.A.C. Bland. Separation of electron spin filtering and magnetic circular dichroism effects in photoexcitation studies of hybrid ferromagnet/GaAs Schottky barrier structures // Phys. Rev. B. - 2005 - V.72 - P. 045301.

71. H. Kurebayashi, S.J. Steinmuller, J.B. Laloe, T. Trypiniotis, S. Easton, A. Io-nescu, J.R. Yates, and J. A. C. Bland. Initial/final state selection of the spin polarization in electron tunneling across an epitaxial Fe/GaA(001) interface // Appl. Phys. Lett. - 2007 - V.91 - P. 102114.

72. J. Watzel, A.S. Moskalenko, and J. Berakdar. Photo-induced spin filtering in a double quantum dot // Appl. Phys. Lett. - 2011 - V.99 - P. 192101.

73. S.E. Andresen, S.J. Steinmuller, A. Ionescu, G. Wastlbauer, C.M. Guertler, and J.A.C. Bland. Role of electron tunneling in spin filtering at ferromag-net/semiconductor interfaces // Phys. Rev. B. - 2003 - V.68 - P. 073303.

74. S.A. Crooker, M. Furis, X. Lou, P.A. Crowell, D. L. Smith, C. Adelmann, and C.J. Palmstr0m. Optical and electrical spin injection and spin transport in hybrid Fe/GaAs devices // J. Appl. Phys. - 2007 - V.101 - P. 081716.

75. N.V. Volkov, A.S. Tarasov, E.V. Eremin, A.V. Eremin, S.N. Varnakov, and S.G. Ovchinnikov. Frequency-dependent magnetotransport phenomena in a hybrid Fe/Si02/p-Si structure // J. Appl. Phys. - 2012 - V.112 - P. 123906.

76. M.A. Green, F.D. King, and J. Shewchun. Minority carrier MIS tunnel diodes and their application to electron- and photo-voltaic energy conversion - I. Theory // Solid-St. Electron. - 1974 - V.17 - P. 551.

77. L. V. Lutsev, A. I. Stognij, and N. N. Novitskii. Giant magnetoresistance in semiconductor/granular film heterostructures with cobalt nanoparticles // Phys. Rev. B. - 2009 - V.80 - P. 184423.

78. Y.A. Bychkov, and E.I. Rashba. Properties of a 2D electron gas with lifted spectral degeneracy // JETP Lett. - 1984 - V.39 -1.2 - P. 78.

79. A. Takayama, T. Sato, S. Souma, T. Oguchi, and T. Takahashi. Tunable spin polarization in bismuth ultrathin film on Si(l 11) // Nano Lett. - 2012 - V.12 -P. 1776.

80. 1. Gierz, T. Suzuki, E. Frantzeskakis, S. Pons, S. Ostanin, A. Ernst, J. Henk, M. Grioni, K. Kern, and C. R. Ast. Silicon surface with giant spin splitting // Phys. Rev. Lett. - 2009 - V.103 - P. 046803.

Заключение

В данной работе представлены исследования явлений магнитозависимо-го электронного транспорта в гибридных структурах Бе/8Ю2/р-81 и простейших устройствах на их основе на постоянном и переменном токе, а также в условиях воздействия оптического облучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тарасов, Антон Сергеевич, 2013 год

Список цитируемых источников литературы

А. Ферт. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники // УФН. -2008-В. 178-С. 1336.

П.А. Грюнберг. От спиновых волн к гигантскому магнетосопротивле-нию и далее // УФН. - 2008 - В. 178 - С. 1349.

A. Fert. The present and the future of spintronics // Thin Solid Films. - 2008 -V. 2-5-P. 517.

4. G. Schmidt, D. Ferrand, and L. W. Molenkamp. Fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor // Phys. Rev. B. - 2000 - V. 62 - P. R4790.

5. W. Y. Lee, S. Gardelis, В. C. Choi, Y. B. Xu, C. G. Smith, С. H. W. Barnes, D. A. Ritchie, E. H. Linfield, and J. A. C. Bland. Magnetization reversal and magnetoresistance in a lateral spin-injection device // J. Appl. Phys. - 1999 -V. 85-P. 6682.

6. P. R. Hammar, B. R. Bennet, M. J. Yang, and M. Johnson. Observation of Spin Injection at a Ferromagnet-Semiconductor Interface // Phys. Rev. Lett. -1999-V. 83-P. 203.

7. R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag, and L. W. Molenkamp. Injection and detection of a spin-polarized current in a light-emitting diode // Nature. - 1999 - V. 402 - P. 787.

8. Y. Ohno, D. K. Young, B. Beschoten, F. Matsukura, H. Ohno, and D. D. Awschalom. Electrical spin injection in a ferromagnetic semiconductor heter-ostructure // Nature. - 1999 - V. 402 - P. 790.

9. P. C. van Son, H. van Kempen, and P. Wyder. Boundary Resistance of the Ferromagnetic-Nonferromagnetic Metal Interface // Phys. Rev. Lett. - 1975 -V. 58-P. 2271.

10. T. Valet and A. Fert. Theory of the perpendicular magnetoresistance in magnetic multilayers // Phys. Rev. B. - 1993 - V. 48 - P. 7099.

11. F. J. Jedema, B. J. van Wees, B. H. Hoving, A. T. Filip, and T. M. Klapwijk. Spin-accumulation-induced resistance in mesoscopic ferromagnet-superconductor junctions // Phys. Rev. B. - 1999 - V. 60 - P. 16549.

12. A. Fert, H. Jaffres. Conditions for efficient spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor // Phys. Rev. B. - 2001 - V. 64 - P. 184420.

13. D. Monsma and S. Parkin. Spin polarization of tunneling current from ferro-magnet/Al203 interfaces using copper-doped aluminum superconducting films // Appl. Phys. Lett. - 2000 - V. 77 - P. 720.

14. Y. Ando, K. Hamaya, K. Kasahara, Y. Kishi, K. Ueda, K. Sawano, T. Sadoh, and M. Miyao., Electrical injection and detection of spin-polarized electrons in silicon through an Fe3Si/Si Schottky tunnel barrier // Appl. Phys. Lett. -2009-V. 94-P. 182105.

15. S. A. Crooker, M. Furis, X. Lou, C. Adelmann, D. L. Smith, C. J. Palmstrom, P. A. Crowell. Imaging Spin Transport in Lateral Ferromagnet/Semiconductor Structures // Science. - 2005 - V. 309 - P. 2191.

16. Min Shen, Semion Saikin, and Ming-C. Cheng. Monte Carlo modeling of spin injection through a Schottky barrier and spin transport in a semiconductor quantum well // J. Appl. Phys. - 2004 - V. 96 - P. 4319.

17. R. Jansen, B-C. Min, and S.P. Dash. Oscillatory spin-polarized tunneling from silicon quantum wells controlled by electric field // Nature Materials. -2010 - V. 9 - P. 133.

18. Saroj P. Dash, Sandeep Sharma, Ram S. Patel, Michel P. de Jong, Ron Jansen. Electrical creation of spin polarization in silicon at room temperature // Nature - 2009 - V. 462 - P. 491.

19. Ian Appelbaum, Biqin Huang, Douwe J. Monsma. Electronic measurement and control of spin transport in silicon // Nature. - 2007 - V. 447 - P. 295.

20. C. H. Li, G. Kioseoglou, O. M. J. van 't Erve, P. E. Thompson, and B. T. Jonker. Electrical spin injection into Si(001) through a SiOitunnel barrier // Appl. Phys. Lett. - 2009 - V. 95 - P. 172102.

21. J. Dai, L. Spinu, K-Y. Wang, L. Malkinski, and J. Tang. Channel switching and magnetoresistance of a metal-Si02-Si structure // Phys. D: Appl. Phys. -2000-V. 33-P. L65.

22. J. Tang, J. Dai, K. Wang, W. Zhou, N. Ruzycki, and U. Diebold. Current-controlled channel switching and magnetoresistance in an Fe3C island film supported on a Si substrate // J. Appl. Phys. - 2002 - V. 91 - P. 8411.

23. S. Witanachchi, H. Abou Mourad, H. Srikanth, and P. Mukherjee. Anomalous conductivity and positive magnetoresistance in FeSi-Si02-Sistructures in the vicinity of a resistive transition // Appl. Phys. Lett. - 2007 - V. 90 - P. 052102.

24. N. Overend, A. Nogaret, B. L. Gallagher, P. C. Main, M. Henini, C. H. Marrows, M. A. Howson, and S. P. Beaumont. Temperature dependence of large positive magnetoresistance in hybrid ferromagnetic/semiconductor devices // Appl. Phys. Lett. - 1998 - V. 72 - P. 1724.

25. V. N. Dobrovolsky, and A. N. Krolevets. Theory of magnetic-field-sensitive metal-oxide-semiconductor field-effect transistors // J. Appl. Phys. - 1999 -V. 85-P. 1956.

26. O. M. J. van't Erve, A. T. Hanbicki, M. Holub, C. H. Li, C. Awo-Affouda, P. E. Thompson, and B. T. Jonker. Electrical injection and detection of spin-polarized carriers in silicon in a lateral transport geometry // Appl. Phys. Lett. -2007- V. 91-P. 212109.

27. V. V. Osipov, A. M. Bratkovsky. Spin accumulation in degenerate semiconductors near modified Schottky contact with ferromagnets: spin injection and extraction // Phys. Rev. B. - 2005 - V. 72 - P. 115322.

28. A. Fert, A. Barthe'le'my, J. Ben Youssef, J.-P. Contour, V. Cros, J.M. De Teresa, A. Hamzic, J.M. George, G. Faini, J. Grollier, H. Jaffre's, H. Le Gall, F. Montaigne, F. Pailloux, F. Petroff. Review of recent results on spin polarized tunneling and magnetic switching by spin injection // Materials Science and Engineering. - 2001 - V. B84 - P. 1.

29. B. C. Min, K. Motohashi, J. C. Lodder, R. Jansen. Tunable spin-tunnel contacts to silicon using low-work-function ferromagnets // Nature Mater. - 2006 -V. 5-P. 817.

30. B. G. Park, T. Banerjee, J. C Lodder, R. Jansen. Tunnel spin polarization versus energy for clean and doped AI2O3 barriers // Phys. Rev. Lett. - 2007 - V. 99-P. 217206.

31. T. Ando, A. B. Fowler, F. Stern. Electronic properties of two-dimensional systems // Rev. Mod. Phys. - 1982 - V. 54 - P. 437.

32. W. C. Chien, C. K. Lo, L. C. Hsieh, Y. D. Yao, X. F. Han, Z. M. Zeng, T. Y. Peng, and P. Lin. Enhancement and inverse behaviors of magnetoimpedance in a magnetotunneling junction by driving frequency // Appl. Phys. Lett. -

2006-V. 89-P. 202515.

33. P. Padhan, P. LeClair, A. Gupta, K. Tsunekawa, and D. D. Djayaprawira. Frequency-dependent magnetoresistance and magnetocapacitance properties of magnetic tunnel junctions with MgO tunnel barrier // Appl. Phys. Lett. -

2007-V. 90-P. 142105.

34. Ming-Feng Kuo, Chao-Ming Fu, Xiu-Feng Han, Chia-Ou Chang, and ChanShin Chou. Bias voltage dependence of tunnel magnetoimpedance in AlOx-based magnetic tunnel junctions // J. Appl. Phys. - 2011 - V. 109 - P. 07C718.

35. S.K. Barik, and R. Mahendiran. Anomalous alternating current magnetoresistance in Lao.5Cao.5Mni2xNixC>3 (x=0.04) // J. Appl. Phys. - 2011 - V. 109 -P. 07D724.

36. M. Kanoun, R. Benabderrahmane, C. Duluard, C. Baraduc, N. Bruyant, H. Achard and A. Bsiesy. Electrical study of ferromagnet-oxide-semiconductor diode for a magnetic memory device integrated on silicon // Appl. Phys. Lett. — 2007- V. 90-P. 192508.

37. E. H. Nicollian, J. R. Brews. MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Technology // Wiley- Interscience. - New York - 1982.

38. С. К. Maiti, G. К. Dalapati, S. Chatterjee, S. K. Samanta, S. Varma, and S. Patil. Electrical properties of high permittivity Zr02 gate dielectrics on strained-Si // Solid-State Electron. - 2004 - V. 48 - P. 2235.

39. S. Q. Xiao, H. Wang, Z. C. Zhao, Y. Z. Gu, Y. X. Xia and Z. H. Wang. Lateral photovoltaic effect and magnetoresistance observed in Co-Si02-Si metal-oxide-semiconductor structures // Phys. D: Appl. Phys. - 2007 - V. 40 -P. 6926.

40. Kun Zhao, Kui-juan Jin, Huibin Lu, Yanhong Huang, Qingli Zhou, Meng He, Zhenghao Chen,Yueliang Zhou, and Guozhen Yang. Transient lateral photovoltaic effect in p-n heterojunctions of Ьао.78г0.зМпОз and Si // Appl. Phys. batters. -2006-V. 88-P. 141914.

41. M. Furis, D. .L Smith, S. Kos, E. S. Garlid, K. S. M. Reddy, C. J. Palmstrom, P. A. Crowell, and S. A. Crooker. Local Hanle-effect studies of spin drift and diffusion in n:GaAs epilayers and spin-transport devices // New Journal of Physics. - 2007 - V. 9 - P. 347.

42. С. H. Варнаков, А. А. Лепешев, С. Г. Овчинников, А. С. Паршин, М. М. Коршунов, P. Nevoral. Автоматизация технологического оборудования для получения многослойных структур в сверхвысоком вакууме // ПТЭ. -2004. - Т. 6.-С. 125.

43. I. Zutic, J. Fabian, and S.C. Erwin. Spin Injection and Detection in Silicon // Phys. Rev. Lett. - 2006 - V. 97 - P. 026602.

44. I. Zutic, J. Fabian, and S. Das Sarma. Spintronics: Fundamentals and applications // Rev. Mod. Phys. - 2004 - V. 76 - P. 323.

45. I.M. Tyryshkin, S.A. Lyon, A.V. Astashkin, and A.M. Raitsimring. Electron spin relaxation times of phosphorus donors in silicon // Phys. Rev. B. - 2003 -V. 68-P. 193207.

46. E.I. Rashba. Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem // Phys. Rev. B. - 2000 - V. 62 - P. R16267.

47. S.M. Sze. Semiconductor Devices // Wiley. - New York - 1985.

48. J.M. Ziman. Principes of the theory of solids // At the University Press. -Cambridge - 1972.

49. B.I. Shklovskii, and A.L. Efros. Electrical Properties of Doped Semiconductors // Springer. - Berlin - 1984.

50. P.A. Lee and T.V. Ramakrishnan. Disordered electronic systems // Rev. Mod. Phys.- 1985-V. 57-P. 287.

51. H.Kaiju, S. Fujita, T. Morozumi, and K. Shiiki. Magnetocapacitance effect of spin tunneling junctions // J. Appl. Phys. - 2002. - V.91. - P.7430.

52. T.Y. Peng, S.Y. Chen, L.C. Hsieh, C.K. Lo, Y.W. Huang, W.C. Chien, Y.D. Yao. Impedance behavior of spin-valve transistor // J. Appl. Phys. - 2006. -V.99. - P.08H710.

53. N. V. Volkov, A. S. Tarasov, E. V. Eremin, S. N. Varnakov, S. G. Ovchinni-kov and S. M. Zharkov. Magnetic-field- and bias-sensitive conductivity of a hybrid Fe/Si02/p-Si structure in planar geometry // J. Appl. Phys. - 2011. -V.109.-P. 123924.

54. D.L. Losee. Admittance spectroscopy of impurity levels in Schottky barriers // J. Appl. Phys. - 1975 - V. 46 - P. 2204.

55. A.A. Istratov, H. Hieslmair, E.R. Weber. Iron and its complexes in silicon // Appl. Phys. - 1999 - V. A 69- P. 13.

56. A. A. Istratov, H. Hieslmair, E. R. Weber. Iron contamination in silicon technology // Appl. Phys. - 2000 - V. A 70- P. 489.

57. Takeshi Yoshikawaa, Kazuki Moritab, Sakiko Kawanishia, Toshihiro Tanakaa. Thermodynamics of impurity elements in solid silicon / Journal of Alloys and Compounds. -2010 - V. 490 - P. 31.

58. H. Nakashima, T. Sadoh, and Tsurushima. Electrical and thermal properties of structurally metastable iron-boron pairs in silicon // Phys. Rev. B. - 1994 -V. 49-P. 16983.

59. K. Wunstel, P. Wagner. Interstitial iron and iron-acceptor pairs in silicon // Appl. Phys. - 1982 - V. A 27 - P. 207.

60. H. Lemke. Doping properties of Iron in Silicon // Phys. Status Solidi A. -1981-V. 64-P. 215.

61. S.D. Brotherton, P. Bradley, A. Gill. Iron and the iron-boron complex in silicon // J. Appl. Phys. - 1985 - V. 57 - P. 1941.

62. K. Graff, H. Pieper. The Properties of Iron in Silicon // J. Electrochem. Soc. -1981 -V.128-P. 669.

63. J.J.H.M. Schoonus, F.L. Bloom, W. Wagemans, H.J.M. Swagten, and B. Koopmans. Extremely Large Magnetoresistance in Boron-Doped Silicon // Phys. Rev. Lett. - 2008 - V.100 - P. 127202.

64. T.W. Hickmott. Admittance measurements of magnetic freezeout in n—type GaAs // Phys. Rev. B. - 1992 - V.46 - P. 12324.

65. Z.G. Sun, M. Mizuguchi, T. Manago, and H. Akinaga. Magnetic-field-controllable avalanche breakdown and giant magnetoresistive effects in Gold/semi-insulating-GaAs Schottky diode // Appl. Phys. Lett. - 2004 - V.85 -P. 5643.

66. M. Tran, H. Jaffres, C. Deranlot, J.-M. George, A. Fert, A. Miard, and A. Le-maitre. Enhancement of the Spin Accumulation at the Interface between a Spin-Polarized Tunnel Junction and a Semiconductor // Phys. Rev. Lett. -2009-V.102-P. 036601.

67. R. Jansen, A.M. Deac, H. Saito and S. Yuasa. Injection and detection of spin in a semiconductor by tunneling via interface states // Phys. Rev. B. - 2012 -V.85-P. 134420.

68. R. Jansen, S. P. Dash, S. Sharma, and B. C. Min. Silicon spintronics with ferromagnetic tunnel devices// Semicond. Sci. Technol. - 2012. - V.27. - P. 083001.

69. R. Jansen. Silicon spintronics // Nature Mater. - 2012 - V.ll - P. 400.

70. S.J. Steinmuller, C.M. Giirtler, G. Wastlbauer, and J.A.C. Bland. Separation of electron spin filtering and magnetic circular dichroism effects in photoexcitation studies of hybrid ferromagnet/GaAs Schottky barrier structures // Phys. Rev. B. - 2005 - V.72 - P. 045301.

71. H. Kurebayashi, S.J. Steinmuller, J.B. Laloe, T. Trypiniotis, S. Easton, A. Io-nescu, J.R. Yates, and J. A. C. Bland. Initial/final state selection of the spin polarization in electron tunneling across an epitaxial Fe/GaA(001) interface // Appl. Phys. Lett. - 2007 - V.91 - P. 102114.

72. J. Watzel, A.S. Moskalenko, and J. Berakdar. Photo-induced spin filtering in a double quantum dot // Appl. Phys. Lett. - 2011 - V.99 - P. 192101.

73. S.E. Andresen, S.J. Steinmuller, A. Ionescu, G. Wastlbauer, C.M. Guertler, and J.A.C. Bland. Role of electron tunneling in spin filtering at ferromag-net/semiconductor interfaces // Phys. Rev. B. - 2003 - V.68 - P. 073303.

74. S.A. Crooker, M. Furis, X. Lou, P.A. Crowell, D. L. Smith, C. Adelmann, and C.J. Palmstr0m. Optical and electrical spin injection and spin transport in hybrid Fe/GaAs devices // J. Appl. Phys. - 2007 - V.101 - P. 081716.

75. N.V. Volkov, A.S. Tarasov, E.V. Eremin, A.V. Eremin, S.N. Varnakov, and S.G. Ovchinnikov. Frequency-dependent magnetotransport phenomena in a hybrid Fe/Si02/p-Si structure // J. Appl. Phys. - 2012 - V.112 - P. 123906.

76. M.A. Green, F.D. King, and J. Shewchun. Minority carrier MIS tunnel diodes and their application to electron- and photo-voltaic energy conversion - I. Theory // Solid-St. Electron. - 1974 - V.17 - P. 551.

77. L. V. Lutsev, A. I. Stognij, and N. N. Novitskii. Giant magnetoresistance in semiconductor/granular film heterostructures with cobalt nanoparticles // Phys. Rev. B. - 2009 - V.80 - P. 184423.

78. Y.A. Bychkov, and E.I. Rashba. Properties of a 2D electron gas with lifted spectral degeneracy // JETP Lett. - 1984 - V.39 -1.2 - P. 78.

79. A. Takayama, T. Sato, S. Souma, T. Oguchi, and T. Takahashi. Tunable spin polarization in bismuth ultrathin film on Si(l 11) // Nano Lett. - 2012 - V.12 -P. 1776.

80. 1. Gierz, T. Suzuki, E. Frantzeskakis, S. Pons, S. Ostanin, A. Ernst, J. Henk, M. Grioni, K. Kern, and C. R. Ast. Silicon surface with giant spin splitting // Phys. Rev. Lett. - 2009 - V.103 - P. 046803.