Моделирование гетероперехода и сверхрешетки на основе ферромагнитного полупроводника EuS и парамагнитного полупроводника SmS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Парамонов, Андрей Викторович

• Парамонов, Андрей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Парамонов, Андрей Викторович

Введение.

Глава 1. Ферромагнитный полупроводник EuS и парамагнитный полупроводник SmS. Теоретические методы исследования гетероструктур.14 ■

1.1. Халькогенид европия (EuS).

1.2. Халькогенид самария (SmS).

1.3. Методы расчетов энергетического спектра электронов в гетероструктурах (гетеропереход, квантовые ямы, сверхрешетки).

1.3.1. Построение энергетической диаграммы в приближении диффузионной модели Андерсона.

1.3.2. Модель сверхрешетки по Кронигу-Пенни.

1.3.3. Метод эффективной массы.

1.3.4. Метод огибающей функции в ^-приближении.

1.3.5. Расчет электронных состояний на гетеропереходе методом сильной связи.

1.3.6. Вариационные методы в комбинации с теорией возмущения.

Глава 2. Моделирование гетероперехода SmS-EuS.

Глава 3. Расчет энергетического спектра сверхрешетки SmS-EuS.

3.1. Определение энергетического спектра сверхрешетки методом огибающей функции в приближении эффективной массы.

3.2. Закрытые квантовые ямы.

3.3. Расчет энергетических зон поверхности (111) сверхрешетки SmS-EuS полуэмпирическим сильной связи.

3.4. Определение изменения электронной плотности сверхрешетки SmS-EuS вариационным методом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование гетероперехода и сверхрешетки на основе ферромагнитного полупроводника EuS и парамагнитного полупроводника SmS»

Развитие физики твердого тела сегодня таково, что невозможно представить себе ее изучение без исследования полупроводниковых гетероструктур. Приоритетными направлениями в их изучении становятся не массивные полупроводники, а многослойные тонкопленочные структуры. Сверхрешетки, квантовые нити и квантовые точки являются объектом рассмотрения подавляющего большинства исследовательских групп, работающих в этой области.

Создание в 1967 году близких по своим свойствам к идеальным эффективно инжектирующих гетеропереходов на основе GaAs-AlGaAs позволило изучить особенности электрических и оптических явлений в гетероструктурах. Идея о возможности применения бинарных гетеросистем в полупроводниковых приборах привела к поиску новых материалов, образующих идеальные гетеропереходы, а так же к разработке новых технологий их получения. Реализовалась эта идея в сверхрешетках на основе гетероструктур [1]. Возможность практически произвольным образом изменять в них зонную структуру, а так же вид потенциала, т.е. контролируемо изменять волновую функцию, сделали их уникальными объектами исследования. Наличие уровней размерного квантования [2] привело к созданию лазеров на гетеропереходах и фотоприемников далекого инфракрасного излучения [3].

Далее, в 2000-м году журнал «Physics World» опубликовал наиболее перспективные и актуальные проблемы исследования в физике. К их числу отнесены исследования в физике полупроводников, связанные с возможностью переноса пространственно ориентированного спина электрона из ферромагнитного материала в парамагнетик. Это обстоятельство определяет использование сверхрешеток на основе халькогенида самария и европия, изучаемых в данной работе, в качестве материалов для создания устройств спиновой информатики.

Экспериментальные работы по квантовому туннелированию квазичастиц в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитный полупроводник способствуют развитию спектроскопии ферромагнитно упорядоченных материалов и созданию нового поколения криоэлектронных устройств твердотельной микромагнитоэлектроники [4].

Возможность управлять свойствами ферромагнитных полупроводников с помощью магнитного поля, что дает дополнительную «степень свободы», отличает их от немагнитных полупроводников и определяет их использование как спинового фильтра [5].

Новый импульс для создания устройств сверхплотной памяти на магнитных носителях (ЮГбит/дюйм) [6] дало открытие гигантского магнетосопротивления в магнитных наноструктурах.

В связи с открытием эффекта генерации ЭДС при исследовании диффузии европия в сульфиде самария [7] вновь возрос интерес к халькогениду самария (SmS) и европия (EuS). Более того, эти полупроводники имеют рассогласование параметра решетки менее 0,01 А, что является определяющим для создания гетероструктур на их основе [8]. Далее, существенная разница зонных структур (глубина залегания 4f-уровней), совместимость тепловых, электрических и кристаллохимических свойств определяет интерес к исследованию гетероструктур на основе SmS и EuS [9].

Таким образом, вышеизложенные факты стали определяющими для моделирования гетероперехода и сверхрешетки на основе основе халькогенида самария и европия и исследования их физических свойств в данной работе.

Вообще изначально полупроводниковая электроника получила свое развитие, когда стала очевидна возможность управления типом проводимости полупроводника с помощью легирования его примесями и инжекцией неравновесных носителей заряда. Затем создание гетероструктур хорошего качества позволило управлять фундаментальными параметрами в полупроводниковых кристаллах и приборах, таких как ширина запрещенной зоны, эффективные массы носителей заряда и их подвижности, показатель преломления, электронный энергетический спектр.

Первые исследования полупроводников были начаты в 30-е годы XX века в Физико-техническом институте, изучение собственной и примесной проводимости которых, привело к созданию теории выпрямления тока на контакте металл-полупроводник [10]. Затем были предсказаны, а в последствии открыты экситоны в полупроводниках [11]. Первые теоретические исследования изотипных и анизотипных гетеропереходов были выполнены А.И. Губановым [12]. Хорошо согласующиеся с экспериментом теоретические расчеты взаимного расположения зон в гетеропереходе были сделаны Кремером и Андерсоном [13,14].

Затем, Г. Кремер в [15] обосновал преимущества гетеропереходов по сравнению с гомопереходами и показал, что инжекция носителей заряда в гомопереходах чрезвычайно мала по сравнению с гетеропереходами.

Создание лазера на GaAs [16] и экспериментальное наблюдение излучательной рекомбинации на этой структуре дали развитие полупроводниковой оптоэлектронике. Однако, наличие больших энергетических потерь и генерация при низких температурах определяли неэффективность таких лазеров. Тогда независимо Ж.И. Алферовым и Г. Кремером была высказана идея использования двойных гетероструктур [17].

Преимущества таких структур сразу стало очевидным, перед ранее использованными, благодаря наличию потенциального барьера на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны. Необходимо отметить, что сегодня есть необходимость в создании гетеропереходов на основе широкозонных полупроводников, так как максимальный излучательный эффект достигается при использовании гетероперехода между полупроводником, выступающем в роли активной области прибора, и более широкозонным материалом. Заметим, что в данной роли с успехом может применяться гетеропара SmS и EuS. Далее, разница их диэлектрических проницаемостей позволяет практически свести к нулю световые потери, так как свет локализуется в среднем слое, выступающего в роли высокочастотного волновода. Теперь необходимо подобрать гетероструктуру для создания «идеального» гетероперехода с бездефектной границей и хорошо согласующимися постоянными решетками, расхождение которых не должно превышать 0,2%. Первые «идеальные» гетеропереходы были приведены в патенте Г. Кремера [18]. Примерно в тоже время была составлена «карта мира» гетероструктур с идеальным решеточным согласованием. Необходимо отметить, то исследуемые в данной работе материалы в нее не вошли. Хотя на сегодняшний день «карта мира» кардинально изменилась, попытки создать гетеросистему на основе халькогенида самария и европия не предпринимались и делаются впервые в данной работе.

Далее, развитие физики полупроводников привело к созданию сверхрешеток, которые представляют собой новый тип полупроводников, характеризующийся наличием большого числа зон и дополнительного периодического потенциала, период которого много больше постоянной решетки. Такие системы были впервые исследованы J1.B. Келдышем [19].

Большой вклад в теоретическое исследование сверхрешеток внесли работы [20,21], в которых была показана возможность усиления электромагнитной волны в сверхрешетке и дано квантово-механическое описание поведения электрона в них.

На сегодняшний день выделяют три группы теоретических проблем, связанных с исследованием сверхрешеток. Первой, и пожалуй основной, является расчет энергетического спектра сверхрешетки в направлении оси ее роста. Ко второй группе можно отнести исследование оптических свойств, расчет и анализ оптических матричных элементов. И, наконец, к третьей группе проблем можно отнести коллективные возбуждения в сверхрешетке.

Помимо сверхрешеток для создания лазеров и элементов схем для быстродействующей микроэлектроники перспективным является использование систем более низкой размерности - квантовых проволок и квантовых точек. Отличительной особенностью квантовых проволок является ограничение носителей заряда в двух плоскостях и свободное их перемещение только вдоль оси проволоки. В отличии от квантовых нитей, движение носителей заряда в «искусственных атомах» ограничено по всем трем направлениям и они обладают полностью дискретным спектром.

Экспериментальные работы по изготовлению и исследованию структур с квантовыми проволоками и квантовыми точками были начаты в конце 80-х начале 90-х годов XX века и продолжаются до сих пор. Сегодня в исследовании данных объектов получены хорошие результаты для коротковолновых источников излучения на основе II-VI-селенидов и III-V-нитридов. Перспективным направлением в развитии создания гетерополупроводников является поиск для них новых материалов. Таковыми могут служить предлагаемые в данной работе халькогенид самария и халькогенид европия. С большой долей уверенности можно сказать, что уже сейчас, указанные системы будут использоваться в лазерах, оптических модуляторах, детекторах и эмиттерах ИК-диапазона, полевых транзисторах.

Несмотря на то, что уже получены устройства на квантовых нитях и точках, однако, наиболее совершенными являются классические гетероструктуры - квантовые ямы и сверхрешетки. Здесь предлагается сверхрешетка смоделированная из ферромагнитного полупроводника -халькогенида европия и парамагнитного - халькогенида самария.

Интерес к халькогениду европия впервые возник в связи с открытием в нем ферромагнетизма в 60-х годах XX века. Более того, EuS обладает полупроводниковой проводимостью зонного типа с подвижностью носителей тока 102-103 см2/В-с при низких температурах. Далее, при низких температурах локализованные магнитные ионы Еи+2 обладают полностью ферромегнитно упорядоченной структурой, что приводит к спиновой поляризации носителей тока.

С развитием нового направления в микроэлектронике - спинтроники, вновь обратились к ферромагнитному полупроводнику - EuS, в связи с возможностью осуществления спинового токопереноса в устройствах электроники на его основе.

Еще в работах JI. Эсаки и др. (1960-е годы XX века) наблюдался туннельный ток между двумя нормальными металлами, разделенным магнитным полупроводником EuS [22]. Практически это были первые наблюдения спин-поляризованного туннельного тока.

В последнее десятилетие одним из перспективных материалов для спинтроники выступает EuS, который используется в качестве спиновых фильтров и спиновых инжекторов. Хотя необходимо заметить, что его применение ограничивается областью низких температур ~70 К.

Далее, из экспериментов по по рентгеноструктурному анализу была определена пространственная группа симметрии и тип кристаллической решетки. Далее, рядом исследовательских групп была определена зонная структура EuS, в то же время основные параметры зонной структуры ширина f-зоны, величена запрещенной зоны и зоны проводимости) получены и из теоретических расчетов. В дальнейших расчетах определены основные магнитные параметры. Для объяснения природы обменного взаимодействия были синтезированы и исследованы твердые растворы с примесью калия, кальция, стронция, гадолиния и т.д. Следующий ряд работ посвящался исследованию влияния изменения межионного расстояния и катионного разбавления на температуру Кюри, повышение которой остается одной из важных проблем физики магнитных полупроводников.

Необходимость объяснения проводящих свойств сульфида европия привела к созданию твердых растворов типа Eui.xSmxS наличие, в которых ионов самария должно было либо уменьшить энергию перехода 4f7—» 4^5d, либо приводить к образованию примесных магнитных состояний. Оба процесса должны были привести к увеличению эффективного обменного взаимодействия. С целью проверки этих предположений были исследованы магнитные, оптические, электрические свойства и рентгеновские спектры таких растворов. В результате были получены зависимости парамагнитной и ферромагнитной температур Кюри, а также постоянной кристаллической решетки и величены края поглощения от состава х. Здесь же было определено, что в отличие от других редкоземельных элементов ионы самария и европия могут существовать и в двухвалентном состоянии. Тогда был предложен первый механизм обменного взаимодействия в халькогениде европия - механизм Гуденафа.

Необходимо заметить, что на сегодняшний день нет общей теории электрических свойств магнетиков, которая объясняла бы спиновое упорядочение и кинетические явления. Это связано с тем, что зонная теория полупроводников построена на одноэлектронном приближении, в то время как поведение магнитных полупроводников обусловлено многоэлектронными эффектами - пространственными и спиновыми корреляциями электронов. Тем не менее, созданные на сегодня модели поведения носителей тока в магнетиках позволяют, во всяком случае, на качественном уровне интерпретировать кинетические явления в магнитных редкоземельных полупроводниках.

Халькогенид самария как и халькогенид европия также относится к группе редкоземельных соединений и его интенсивное исследование началось в середине 50-х годов XX века. Интерес к сульфиду самария связан в основном с двумя обстоятельствами. Первое — это наличие переменной валентности SmS, а второе - фазовый переход металл-полупроводник. Поэтому большинство работ в литературе посвящено изучению именно этих явлений.

Обнаружение в 1970 году изоструктурного перехода металл-полупроводник при гидростатическом сжатии в халькогениде самария и связанное с этим его бурное изучение привело еще к одному интересному эффекту. В полупроводниковой модификации наблюдается эффект «самолегирования» при котором 4f- уровни выступают в роли донорных

22 3 примесей, концентрация которых составляет 10 см" .

Своеобразие металлической модификации SmS позволило выделить его в отдельные класс соединений с переменной валентностью.

Экспериментально были определены зонные структуры полупроводниковой и металлической модификаций, а Н.И. Масюкова и О.В. Фарберович провели теоретическое исследование зонной структуры моносульфида самария и его электрофизических свойств.

Электронное строение 4f- оболочек редкоземельных элементов и их математическое описание дал в своей статье Ю.П. Ирхин.

Поведение полупроводникового халькогенида самария в сильных электрических полях изучали З.Б. Добровольские, Р.С. Дагис и др. [23], здесь же приводятся данные В АХ для SmS.

Ряд работ был посвящен исследованию «золотой» фазы сульфида самария - промежуточному состоянию между нормальной полупроводниковой фазой, где ионы самария проявляют себя как двухвалентные, и металлической фазой с изменившейся валентностью.

В самых первых работах по исследованию переменной валентности халькогенида самария обсуждался вопрос образования экситонов и их влияние на фазовые переходы с изменением валентности. Считалось, что экситоны в SmS являются экситонами Френкеля, однако сейчас полагается, что они являются экситонами промежуточного радиуса.

Еще одной отличительной особенностью моносульфида самария является возможность перехода в твердых растворах типа Eui.xSmxS из мгнитно-неактивной конфигурации в магнитно-активную. Предполагается, что усиление обменного взаимодействия компенсирует затраты, необходимые для электронного перехода и данная система является единственной, где экспериментально наблюдался такой переход.

Далее, К.А. Кикоиным и А.С. Мищенко были проведены исследования электрон-фононного взаимодействия в системах со стабильной и нестабильной валентностью и приведены электронные и фононные спектры SmS и EuS.

Несмотря на то, что как было показано выше, халькогениды самария и европия достаточно хорошо изучены, упоминаний в литературе о создании на их основе сверхрешеток и гетероперехода не встречается. Правда, имеются данные по люминесценции на несколько подобной системе -сверхрешетки PbS-EuS. Далее, нет так же достоверных сведений, которые давали бы ответ на вопрос о расположении уровня Ферми в халькогениде европия, что значительно осложняет даже качественный анализ процессов, протекающих в гетеросистемах, созданных на их основе.

Таким образом, в данной работе будет анализироваться сверхрешетка и гетеропереход смоделированные на основе халькогенидов самария и европия.

Целью диссертационного исследования является создание «идеальных» моделей структур гетероперехода и сверхрешетки «парамагнитный полупроводник - ферромагнитный полупроводник» и расчет их энергетических спектров, а также исследование и анализ физических свойств.

Основной задачей является выбор идеальной гетеропары с хорошо согласующимися постоянными решеток и одновременно обладающие магнитным свойствами. Далее, расчет зонной структуры полученного гетероперехода и энергетического спектра сверхрешетки, а такжеанализ их свойств.

Объектом исследования является сверхрешетка, созданная на основе ферромагнитного полупроводника - халькогенида европия и парамагнитного - халькогенида самария.

Структура диссертации такова: введение, глава 1 - критический обзор литературы, глава 2 - расчет гетероперехода SmS-EuS, глава 3 - расчет энергетического спектра сверхрешетки SmS-EuS.

В обзоре литературы приведен анализ степени изученности выбранных для формирования гетероперехода и сверхрешетки объектов - моносульфида самария и европия. Обоснован выбор этих компонентов в качестве «идеальных» для создания гетероперехода и сверхрешетки. Большое внимание уделено методам расчета, используемым в диссертации. Это необходимо в силу тех обстоятельств, что в рамках изучаемой модели не представляется возможным использовать один из существующих методов, так как только их совокупность позволяет в некоторой степени упростить расчеты и в то же время дать полную информацию об изучаемой системе.

Далее, во второй главе произведен расчет гетероперехода SmS-EuS в приближении диффузионной модели Андерсона, по результатам которого построены энергетические диаграммы.

В третьей главе методом огибающей функции расчитывается энергетический спектр сверхрешетки SmS-EuS и анализируются состояния на гетеропереходах в приближении метода сильной связи и др.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Парамонов, Андрей Викторович

Основные выводы.

Цель и задачи, поставленные в работе, следующие:

- отобрать ферромагнитный и парамагнитный полупроводники для моделирования гетероструктуры, в соответствие с требованиями, указанными в работе [52],

- на основе подобранных полупроводников построить модель гетероперехода и сверхрешетки,

- провести расчеты и анализ энергетических диаграмм гетероперехода и минизонной структуры сверхрешеток,

- определить параметры и основные характеристики квантовых ям Ф и барьеров с учетом магнитного упорядочения,

- проанализировать свойства гетероструктур на основе ферромагнитного и парамагнитного полупроводников с целью их эффективного использования в микроэлектронике.

Результаты соответствующих расчетов и анализа позволяют сделать следующие предложения и выводы:

1. осуществлен выбор гетеропары: ферромагнитный полупроводник (EuS) - парамагнитный полупроводник

SmS), удовлетворяющий требованиям максимального соответствия параметров кристаллических решеток (они имеют одинаковую симметрию и рассогласование менее 0,01%). Это обеспечило моделирование «идеального гетероперехода» с отсутствием поверхностных состояний и дислокаций несоответствия. Что позволило применить для расчетов энергетической диаграммы гетероперехода SmS-« EuS диффузионную модель Андерсона.

2. Проведены расчеты гетероперехода SmS-EuS согласно диффузионной модели Андерсона. В соответствии с полученными результатами построена энергетическая диаграмма резкого изотипного гетероперехода SmS-EuS.

3. Проанализированы процессы перехода электронов через гетеропереход. Оказалось, что благодаря s-f- обмену и наличию 4f- и 4f7- уровней в запрещенных зонах SmS и EuS, соответственно, источником спин-поляризованных электронов может являться не только ферромагнитный полупроводник EuS, но и халькогенид самария. Причиной этого является также переход в магнитно-активное состояние ионов самария At—> 4f5+e.

4. Из сравнения зонных структур SmS и EuS, полученных в работах [40,41,82], проведена оценка положения уровня Ферми в халькогениде европия.

5. Определена минизонная структура сверхрешеток SmS-EuS методом огибающей функции в ^-приближении.

6. Для детального анализа энергетического спектра электронов на гетеропереходе и их перераспределения в этой области использован полуэмпирический метод сильной связи. Это позволило объяснить переход в магнитно-активное состояние ионов самария 4t—> 4f3+e и образование ферромагнитных участков на гетеропереходе.

7. Из анализа энергетической структуры квантовых ям с учетом s-f- обмена обнаружено подмагничивание в них. Рассчитан магнитный момент таких ям. Они впервые были названы магнитными квантовыми ямами.

8. Показана возможность образования квантовых ям из и 4f7- уровней, находящихся в запрещенных зонах обеих полупроводников сверхрешетки SmS-EuS. Эти закрытые квантовые ямы могут играть основную роль при туннелировании электронов в подобных гетеросистемах.

9. Рассчитана величена ферромагнитных областей в гетеропереходе SmS-EuS на базе вариационного метода в комбинации с теорией возмущения. Показано образование сверхрешетки типа ферромагнетик-парамагнетик, которая «вложена» со смещением в кристаллическую сверхрешетку SmS-EuS.

10. Обоснована высокая эффективность применения сверхрешеток SmS-EuS в гетеролазерахблагодаря образованию разрыва зон проводимости (~ 1 эВ) и из-за разницы в значениях показателя преломления при помещении более узкозонного материала SmS между более широкозонными слоями EuS.

11. Показано, что при использовании гетеросистем SmS-EuS в спинтронике, необходимо учитывать перераспределение ферромагнитных областей и переход в магнитно-активное состояние ионов самария на гетеропереходе.

12. Использование гетеросистем SmS-EuS в полевых транзисторах позволит повысить эффективность работы проводящего канала благодаря изменению концентрации электронов проводимости в нем из-за s-f- обменного взаимодействия и возможности регулирования ее внешним магнитным полем.

Заключение.

Итак, проведенный теоретический анализ сверхрешетки ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник позволил определить следующие характеристики данной структуры.

Во-первых, получена зависимость энергий подзон от волнового вектора в приближении огибающей функции. Показано, что учет взаимодействия спина электрона с магнитным полем приводит к заметному расширению верхних подзон.

Во-вторых, выполнив срез кристалла плоскостью (111), были определены оборванные связи на поверхности (EuSSm |(111) SEuS) и проведенные расчеты состояний носителей заряда, которые показали, что на поверхности исходных полупроводников с внешними атомными плоскостями Sm и S, возникает состояние, недозаполненное электронами.

Затем возможность перехода халькогенида самария в магнитно-активную конфигурацию f5+e позволяет наблюдать явление вложения в кристаллическую гетероструктуру сверхрешетки ферромагнетик-парамагнетик.

Далее показана возможность образования закрытых квантовых ям в сверхрешетке SmS-EuS. Это связано с особенностью зонной структуры составляющих ее слоев SmS и EuS, которые одновременно оказываются и барьерами, и квантовыми ямами, образованными из и 4f7 - полос, находящихся в запрещенной зоне исходных полупроводников.

Выявленные особенности сверхрешетки SmS-EuS позволяют определить практическое применение данной структуры для создания современных устройств наноэлектроники.

Перспективным направлением применения тонкопленочных структур на основе халькогенида европия является их использование в качестве запоминающей среды при магнитной записи информации. В свою очередь удаление информации может осуществляется переменой магнитного поля на обратное. Заметим, что малое поглощение и невысокая теплоемкость халькогенидов так же определяют ее в качестве запоминающей среды.

Далее, полагаем, что устройства СВЧ-электроники на основе халькогенида самария и европия могут составить серьезную конкуренцию устройствам на основе ферритов, работающим при низких температурах. Серьезным основанием для этого является малая кристаллическая анизотропия, высокая намагниченность насыщения и малые диэлектрические потери.

Более того, сочетание магнитных и полупроводниковых свойств в одном материале позволят создать принципиально новые приборы быстродействующей электроники. Их работа основывается на взаимодействии дрейфующих носителей заряда с бегущими спиновыми волнами. Это делает возможным использование таких систем как в качестве усилительных, так и генерирующих.

То обстоятельство, что концентрация носителей тока в ферромагнитном полупроводнике на несколько порядков меньше, чем в ферромагнитных металлах, а следовательно, туннелирование через ферромагнитный полупроводниковый барьер энергетически выгоднее, чем сквозь ферромагнитный металл, определяет возможность создания на их основе магнитоуправляемого диода, обратное пробойное напряжение которого можно регулировать внешним магнитным полем.

Затем возможность реализации гетероконтактов ферромагнитный полупроводник - парамагнитный полупроводник, показанная в данной работе, открывает возможность спиновой инжекции поляризованных электронов, что существенно изменяет их свойства и открывает возможность наблюдения поляризованной люминесценции при освещении неполяризованным светом поляризованных по спину электронов. Благодаря возникающему эффекту «подмагничивания», влияющего на спиновое состояние носителей тока изменяются микроволновые характеристики во внешнем магнитном поле, а, следовательно, возможно появления излучения, перестраиваемого внешним магнитным полем.

Далее, в исследуемой сверхрешетке реализована идея «широкозонного окна», которая позволяет благодаря наличию достаточно высокого потенциального барьера на границе полупроводников, практически свести к нулю сквозное токопрохождение электронов и дырок. Это обстоятельство позволяет создать транзисторы с отсутствием рекомбинации в эмиттере. Более того, реализация этого эффекта позволяет значительно расширить и точно контролировать спектральную область солнечных элементов и фотодетекторов и повысить эффективность светодиодов.

Необходимо отметить еще одно преимущество исследуемой структуры это более простая технология изготовления по сравнению с широко используемыми сейчас четверными соединениями, и как следствие, большая инжекционная эффективность, а значит большая эффективность приборов.

Осталось упомянуть о возможности использования планарной структуры SmS-EuS для создания устройств относительно нового направления в электронике - спинтронике. Основная сложность при создании приборов на основе спиновой инжекции это подбор пары ферромагнитный полупроводник - полупроводник, которая характеризовалась бы близостью величин своих удельных электронных проводимостей, 100% спиновой поляризацией носителей в ферромагнитном полупроводнике и большой степенью зеемановского расщепления электронных уровней полупроводника. Заметим, что использование структур ферромагнитный металл - полупроводник в спинтронных устройствах малопродуктивно в силу того, что пренебрежимо мала вероятность осуществления спинового транспорта из ферромагнитного металла в полупроводник заметного по величине. А, сверхрешетка SmS-EuS «идеально» подходит по приведенным критериям для реализации в ней спинового токопереноса, и, следовательно, создания на ее основе спиновых фильтров, инжекторов и т.д.

Таким образом, здесь показано, что сверхрешетки на основе магнитных полупроводников обладают целым рядом уникальных электрофизических свойств, которые позволят расширить круг используемых материалов для создания электронной полупроводниковой техники. Это в свою очередь является основой для принципиально новых практических применений магнитных полупроводников.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Парамонов, Андрей Викторович, 2005 год

1. Esaki L., Tsu R., IBM. // Res. Develop. 1970. vol. 14, p. 61.

2. Dingle R., Wiegmann W., Henry C.H. // Phys. Rev. Lett. -1974. vol. 33, p. 827.

3. Capasso F., Mohammed K., Cho A.V., IEEE. // Quantum Electronics. 1986. QE-22, vol. 9, p. 1853.

4. Борухович A.C. Особенности квантового туннелирования в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитные полупроводники. // УФН. 1999. т. 169, №7, с. 745.

5. Kisker Е. et. ah // Phys. Rev. В 1978. vol. 18, p. 2256.

6. Simonds J.L. // Phys Today. 1995. vol. 48, p. 26.

7. Каминский B.B., Голубков A.B., Васильев Л.Н. // ФТТ. 2002. т. 44, вып. 8, с. 1501.

8. Кремер Г. // УФН. 2002. т. 172, вып. 9, с. 1087.

9. Скорятина Е.А., Усачева В.П. Диффузия европия в SmS. // ФТТ. 2005. т. 47, вып. 7, с. 1192.

10. Жузе В.П., Курчатов Б.В. к вопросу об электропроводимости закиси меди. // ЖЭТФ. 1932. т.2 (516), с. 309.

11. Френкель Я.И. О поглощении света и прилипании электронов и положительных дырок в кристаллических диэлектриках. // ЖЭТФ. 1936. т. 6, с. 647.

12. Губанов А.И. Теория контакта двух полупроводников с различным типом проводимости. // ЖТФ. 1950. т. 20, с. 1287.

13. Anderson R.L. // Solid-State Electron. 1962. vol. 5, p. 341.

14. Frensley W.R., Kroemer H. // Vac. Sci. Tech. 1976. vol. 13, p. 810.

15. Kroemer H. Proc. IEEE, 70, 13, 1982.

16. Kroemer H. // Vac. Sci. Technol. В 1. 1983. p. 126.106

17. Kroemer H. // Phys. Scripta. 1996. T68, vol. 10.

18. Alferov Z.I. // Phys. Scripta. 1996. T68, vol. 32.

19. Келдыш Л.В. // ФТТ. 1962. т. 4, с. 2265.

20. Казаринов Р.Ф., Сурис Р.А. // ФТП. 1971. т. 5, с. 797.

21. Казаринов Р.Ф., Сурис Р.А. // ФТП. 1972. т. 6, с. 148.

22. Esaki L., Stiks P.J., von Molnar S. Magnetointernal field emission injunction of magnetic insulators. // Phys. Rev. Lett. 1967. vol. 19, p. 852.

23. Добровольские З.Б., Дагис P.C., Сергеева B.M., Смирнов И.А. Электрические свойства полупроводникового SmS в сильных электрических полях. // ФТТ. 1983. т. 25, вып. 5, с. 1551.

24. Физические основы и структуры спиновой одноэлектроники: Сб. науч. тр. / Новые магнитные материалы микроэлектроники / Отв. ред. Л.Е. Лукашова. М.: МГУ, 2000. - 648 с.

25. Борухович А.С., Виглин Н.А., Осипов В.В. Спин-поляризованный транспорт как основа нового поколения структур микроэлектроники // Исследовано в России. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/039.pdf

26. Prinz G.A. Spin-polarized transport // Physics Tooday. 1995. vol. 48. №4. p.353.

27. Яковлев Ю.М., Меркулов А.И. Магнитные полупроводники для устройств функциональной электроники / Обзоры по электронной технике. Сер. материалы. -М.: Электроника. 1983. вып. 9.

28. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем . СПб.: Наука, 2001. - 150 с.

29. Метфессель Э., Маттис Д. Магнитные полупроводники. М.: Мир, 1972.-406 с.

30. О.Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. М.: Высш. шк., 1986. - 352 с.31 .Самохвалов А.А. Магнитные редкоземельные полупроводники: Сб. / Редкоземельные полупроводники. JL: Наука, 1977. - с. 5-47.

31. Бамбуров В.Г., Борухович А.С., Самохвалов А.А. Введение в физико-химию ферромагнитных полупроводников. М.: Металлургия, 1988. -206 с.

32. Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. М.: Наука, 1987.-240 с.

33. Агранович В.Л., Гламаздин А.В., Горбенко В.Г. Источники поляризованных электронов. М.: ЦНИИ атоминформ, 1984.

34. Кесслер И. Поляризованные электроны. М.: Мир, 1988.

35. Busch G., Junod P., Wachter P. // Phys. Lett. 1964. 12, 11.

36. Busch G. // Appl. Phys. 1967. vol. 38. p. 1368/

37. Argule B.E., Suits J.C., Freiser M.J. // Phys. Rev. Lett. 1965. vol. 15, p. 882.

38. Slater J.C. //Phys. Rev. 1952. vol. 87, p. 807.

39. Cho S.J. // Phys. Rev. 1967. vol. 157, p. 632.

40. Cho S.J. //Phys. Rev. 1970. vol. Bl(12), p. 4589.

41. Methfessel S. // Zs. Angew. Phys. 1965. vol. 18, p. 414.

42. Suits J.C., Argyle B.E. // Appl. Phys. 1965. vol. 36, p. 1251.

43. Голубков A.B. и др. В кн.: Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. / Под ред. В.П. Жузе. - Л.: Наука, 1973.

44. Yanase A., Kasuya Т. // Phys. Soc. Japan. 1968. vol.25, №4.

45. Самохвалов А.А. Магнитные редкоземельные полупроводники. В кн.: Редкоземельные полупроводники. - Л.: Наука, 1977.

46. Methfessel S., Holtzberg F., McGuire T.R. // IEEE Trans. Hagn. 1966. vol. 2, p.305.

47. Kasuya T. // Phys. Soc. Japan. 1958. vol.13, p.1096.

48. Yanase A., Kasuya T. // Rev. Mod. Phys. 1968. vol.40(4), p.678.

49. Holtzberg F., McGuire T.R., Methfessel S. // Appl. Phys. 1966. vol. 37, p.976.

50. Busch G., Junod P., Risi M., Vogt O., Proc. Int. Conf. Phys. Semiconduct., Exeter, 1962. 729 p.

51. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии. // УФН. 2002. т. 172, №9.

52. Busch G., Junod P., Morris R.G., Muheim J. // Helv. Phys. Acta. 1964. vol. 37, p. 637.

53. Moruzzi V.L., Tearey D.T. // Solid State Comm. 1963. vol.1, p. 127.

54. Dillon J.F., Olsen C.E. // Phys. Rev. 1964. vol. 135, p. 434.

55. Van Vleck J.H. The Theory of Electric and Magnetic Susceptibilities. -London, 1965.

56. Борухович A.C. Особенности квантового туннелирования в мультислоях и гетероструктурах, содержащих ферромагнитные полупроводники. // УФН. 1999. т. 169, №7, с. 737.

57. Свистунов В.М., Медведев Ю.В., Таренков В.Ю. Спин-поляризованное туннелирование электронов. // ЖЭТФ. 2000. т. 118, вып. 3 (9), с. 629.

58. Гуденаф Ф. Магнетизм и химическая связь. -М.: Металлургия, 1968.

59. Вдовин О.С., Котелков В.Н., Рожков В.А. и др. Пленки оксидов редкоземельных элементов в МДМ- и МДП-структурах. Саратов: Изд-во саратовского университета, 1983. - 159 с.

60. Самохвалов А.А., Афанасьев А.Я. // ФТТ. 1969. вып. 11, с. 483.

61. Shafen M.W., McGuire T.R. // Appl. Phys. 1968. vol. 39, p. 588.

62. Нагаев В.JI. Физика магнитных полупроводников. М.: Наука, 1979. -432 с.

63. Капустин В.А. Аномальные явления переноса в халькогенидах европия. JL: Наука, 1977. - с. 82.

64. Busch G., Wachter P. // Phys. Condens. Mater. 1966. vol. 5, p. 232.

65. Kroemer H. US Patent 3, 309, 553, March 14, 1967.

66. Кремер Г. Квазиэлектрическое поле и разрывы зон. Обучение электронов новым фокусам. // УФН. 2002. т. 172, №9.

67. Anderson R.L. Germanium-gallium arsenide heterojunctions IBM. // Res. Dev. 1960. vol. 4, p. 283.

68. Голубков A.B., Гончарова E.B., Жузе В.П., Манойлова И.П. // ФТТ. -1965. т. 7, с. 2430.

69. Масюкова Н.И., Фарберович О.В. Теоретическое исследование электронной структуры и электрофизических свойств моносульфида самария. // ФТТ. 1970. т. 12, вып. 10, с. 2138.

70. Бжалава Т.Д., Жукова Т.Б., Смирнов И.А., Шульман С.Г., Яковлева Н.А. // ФТТ. 1974. т.16, с. 3753.

71. Голубков А.В., Гончарова Е.В., Жузе В.П., Логинов Г.М. и др. Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. JL: Наука, 1973.

72. Финкелыптейн Л.Д., Ефремова Н.Н., Лобачевская Н.И., Немнонов С.А., Бамбуров В.П. // ФТТ. 1976. т. 18, с. 3117.

73. Финкелыптейн Л.Д., Ефремова Н.Н., Лобачевская Н.И., Немнонов С.А., Бамбуров В.П., Симонова Н.И., Самохвалов А.А. // ФТТ. 1977. т. 19, с. 2165.

74. Konczukowski М., Morillo J., Senateur J.P. // Sol. State Comm. 1981. vol. 40, p. 517.

75. Ирхин Ю.П. Электронное строение 4f- оболочек и магнетизм редкоземельных металлов. // УФН. 1988. т. 154, вып. 2.

76. Кикоин К.А. О природе «золотой» фазы сульфида самария. // ЖЭТФ. 1983. т. 185, вып. 3(9), с. 1000.

77. Гончарова Е.В., Оскотский B.C., Бжалава Т.Л., Романова М.В., Смирнов И.А. // ФТТ. 1976. т. 18, с. 2065.

78. Жузе В.П., Голубков А.В., Гончарова Е.В., Комарова Т.И., Сергеева В.М. // ФТТ. 1964. т. 6, с. 628.

79. Farberovich O.V. // Phys. Status Solidi (b). 1970. №181, vol. 104, p. 365-370.

80. Фарберович O.B. // ФТТ. 1970. т. 21, №11, с. 3434.

81. Блувштейн И.В., Власов С.В., Нижникова Г.П., Фарберович О.В. // Деп. В ВИНИТИ. 1988. №2791-В88, 41 с.

82. Адамян В.Е., Голубков А.В., Логинов Г.М. //ФТТ. -1965. т. 7, №1, с. 301-304.

83. Travaglini G., Wachter P. // Phys. Rev. В. 1984. vol.29, p. 893-897.

84. Ирхин Ю.П., Носкова Л.М., Розенфельд E.B. // ФТТ. 1984. т. 26, №3, с. 787-794.

85. Раевская Л.Т., Розенфельд Е.В., Ирхин Ю.П. // ФММ. -1988. т. 66, №1, с. 73-79.

86. Розенфельд Е.В., Ирхин Ю.П. // ФММ. -1984. т. 578 №5, с. 837-851.

87. Slater J.C. // Appl. Phys. 1968. vol. 39, p. 761

88. Kasuya Т., Yanase A. // Phys. Soc. Japan. 1968. vol. 25, №4.

89. Jayaraman A., Narayanamunti N., Bucher E. // Phys. Rev. Lett. 1970. vol. 25, p. 1430

90. Compagna M., Chui S.T., Werstheim G.K. // Phys. Rev. 1976. В 14, p. 653.

91. Ефремова H.H., Финкельштейн Л.Д., Лобачевская Н.И. и др. Электронная конфигурация ионов самария в полупроводниковых твердых растворах с двухвалентными элементами. // ФТТ. -1979. т.21, вып. 9.

92. Cronau М., Methfessel S. // Physica В+С. 1977, vol.86-88, p. 128

93. Anderson R.L. // IBM Res. Develop. 1960. vol. 4, p. 283.

94. Anderson R.L. // Solid-State Electron. 1962. vol. 5, p. 341.

95. Шарма Б.JI., Пурохит Р.К. Полупроводниковые гетеропереходы. -М.: Сов. радио, 1979.

96. Kronig R. deL., Penney W.G. // Proc. Roy. Soc. 1931. vol. 180, p. 499.

97. Rojansky V. Intoductory Quantum Mechanics. N.Y.: Acad. Press, 1938.

98. Шик А.Я. // ФТП. 1972. т.6, с. 1268.

99. Джонс Г. Теория зон Бриллюэна и электронные состояния в кристаллах. М.: Изд. Мир, 1968.

100. Schulman J.N., Chang Y.C. // Phys. Rev. Lett. 1981. vol. 47, p. 879.

101. Voisin P., Bastard G., Voss M. // Phys. Rev. B. -1984. vol. 29, p. 935.

102. Seitz F. The Modern Theory of Solids. N.Y.: Acad. Press, 1940.

103. Shockley W. // Phys. Rev. 1950. vol. 78, p. 173.

104. Dresselhaus C., Kip A., Kittel C. // Phys. Rev. 1955. vol. 98, p. 368.

105. Kane E. // Phys. Chem. Solids. -1956. vol. 1, p. 82.

106. Abstreiter G. // Surf. Sci. 1980. vol. 98, p. 117.

107. Pinczuk A., Stormer H.L., Dingle R., Worlock J.M., Wiegmann W., Gossard A.C. // Solid State Comm. 1979. vol. 32, p. 1001.

108. Schulman J.N., McGill T.C. // Vacuum Sci. Technol. 1978. vol. 15, p. 1456.

109. Nucho R.N., Madhukar A.J. // Vacuum Sci. Technol. 1978. vol. 15, p. 1530.

110. Schulman J.N., McGill T.C. //Phys. Rev. B. 1979. vol. 19, p. 6341.

111. Милне А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. М.: Мир, 1975.

112. Ploog К., Dohler G.H. // Adv. Phys. 1983. vol. 32, p. 285.

113. Herman M.A., Pressa M. // Appl. Phys. 1985. vol. 57, p. 2671.

114. White S.R., Sham L.J. // Phys. Rev. Lett. -1981. vol. 47, p. 879.

115. Bastard G. // Phys. Rev. B. 1982. vol. 25, p. 7584.

116. Херман M.A. Полупроводниковые сверхрешетки. M.: Мир, 1989.

117. Гшнейднер К.А. Сплавы редкоземельных металлов. М.: Изд. Мир, 1965.

118. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетеропереходах. М.: Мир, 1981.

119. Нагаев Э.Л. Физика магнитных полупроводников. М.: Наука, 1979.

120. Шик А .Я. // ФТП. 1974. т. 8, вып. 10, с. 1841.

121. Kroemer Н., US Patent 3, 553, 1967.

122. Шик А.Я. Двумерные электронные системы. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1993.

123. Корольков В.И. Окно в микромир. М.: МГУ, I, 5, 2001.

124. Цидилковский И.М. Зонная структура полупроводников. М.: Наука, 1978.

125. Bastard G. // Springer Ser. Sol. State Sci. 1984. vol. 53, p. 168.

126. Kane E.O. // Phys. Chem. Sol. 1957. vol. 1, p. 249.

127. Sai-Halasz G.A., Tsu R., Esaki L. // Appl. Phys. Lett. 1977. vol. 30, p. 651.

128. Bastard G. // Phys. Rev. Ser. B. 1981. vol. 24, p.5693.

129. Bastard G. II Ibidem. 1982. vol. 25, p. 7584.

130. Силин А.П. // УФН. 1985. т. 147, вып. 3.

131. Гудинаф Д. Магнетизм и химическая связь. М.: ИЛ, 1968.

132. Kane Е. // Phys. Chem. Solids. 1957. vol. 2, p. 330.

133. Каллуэй Дж.Теория энергетической зонной структуры. М.: Мир Д 969.

134. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. -М.: Наука, 1972.

135. Джонс Г. Теория зон Бриллюэна и электронные состояния в кристаллах. М.: Мир, 1968.

136. Равич Ю.И., Ефимова Б.А., Смирнов И.А. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам. М.: Наука, 1968.

137. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В., Грачева С.М. Гетероструктуры и сверхрешетки из халькогенидов европия, свинца и самария. // Тез. док. 5-ой научной молодежной школы «Микро- и наносистемная техника» Санкт-Петербург, 2002, с. 38.

138. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Расчет зонной структуры в приближении огибающей функции для сверхрешеток из магнитных полупроводников. // Известия ТГУ Серия Математика. Механика. Информатика, т.8, вып.2, 2002, с. 77-80.

139. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Квантовые магнитные ямы из магнитных и немагнитных полупроводников. // Материалы XVIII Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники». Москва, 2002, с. 244-245.

140. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Зонная структура сверхрешеток на основе моносульфидов европия и самария. // Тез. док. IV Международной научно-технической конференции

141. Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск, 2003, с. 94.

142. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Механизм образования сверхрешетки ферромагнетик-парамагнетик в гетероструктуре SmS-EuS. // Материалы XIX Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники». Москва, 2004, с. 424-426.

143. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Расчет зонной структуры сверхрешеток SmS-EuS. // Тез. док. Всероссийской научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики». Тула, 2004, с. 69-71.

144. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Моделирование и расчет гетероперехода и сверхрешетки на основе моносульфидов самария и европия. // Известия ТГУ Серия Математика. Механика. Информатика, т. 10, вып.З, 2004, с. 41-47.

145. Golovnev J.F., Paramonov A.V. "Energy distribution of electrons in a superlattice from magnetic semiconductors SmS-EuS"// 2"nd international conference on physics of electronic materials PHYEM, Kaluga, 2005, P. 34-38.

146. Головнев Ю.Ф., Парамонов A.B. Моделирование гетероперехода и сверхрешетки на основе халькогенида самария и европия. // Вестник ТГПУ им. JI.H. Толстого Естественные и физико-математические науки, №2, 2005, с. 98-105.

147. Парамонов А.В., Головнев Ю.Ф. Анализ электронной структуры гетероперехода SmS-EuS методом сильной связи. // Вестник ТГПУ им. JI.H. Толстого Естественные и физико-математические науки, №2, 2005, с. 209-212.

148. Головнев Ю.Ф., Парамонов А.В. Сверхрешетки на основе ферромагнитного и парамагнитного полупроводников для спинтроники. // Неорганическая химия, Санкт-Петербург, 2005.