Результат интеллектуальной деятельности: ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ

Изобретение относится к области материалов полупроводниковой спиновой электроники и может быть использовано для создания элементов соответствующих спинтронных приборов.

К настоящему времени в мире разработаны теоретические основы спиновой электроники и конкретные конструкции разнообразных спиновых магнитоэлектронных приборов, таких как спиновые полевые транзисторы, спиновые резонансные и светодиоды, спиновые вентили и т.д., а также перспективных элементов памяти с высокой компактностью и быстродействием, и низким энергопотреблением. Данное направление в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных для создания нового поколения приборов для хранения, передачи и обработки информации. Создание указанных материалов и приборов на их основе позволит реализовать огромные возможности полупроводниковой спиновой электроники.

Основным препятствием на пути создания спинтронных приборов в настоящее время является отсутствие полупроводниковых материалов, обладающих высокой намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля для работы при комнатной и выше температурах. Задачей настоящего изобретения является создание такого материала на основе диоксида титана, легированного ванадием, что обеспечивает собственное ферромагнитное упорядочение в полупроводнике с высокой намагниченностью насыщения при комнатной температуре, в сочетании с дополнительной имплантацией ионов кобальта в материал, позволяющей сохранить намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля на уровне не менее 70% от намагниченности насыщения.

Известна полупроводниковая структура, ферромагнитная при комнатной и выше температурах, состоящая из ферромагнитной пленки Mn-Si, осаждаемой методом магнетронного распыления на подложке монокристаллического кремния (Патент CN 1885493 А, МПК: H01L 21/203; С23С 14/35; С23С 14/58; H01L 21/324).

Известен также способ получения такой структуры на основе ферромагнитного полупроводника Si-Mn путем имплантации ионов марганца в кремниевые пластины (M.Bolduc et al., Phys.Rev.B, v.71, p.033302, 2005; А.Ф.Орлов и др. ЖЭТФ, т.136, с.703, 2009).

Недостатком указанных структур является низкая намагниченность насыщения получаемого материала и дополнительное резкое ее уменьшение при снятии внешнего магнитного поля.

Известен способ получения ферромагнитной при комнатной температуре пленки на основе диоксида титана, легированной хромом (Патент CN 101211764 А от 02.07.2008, МПК H01L 21/203; H01L 21/02). Известен также способ получения ферромагнитной при комнатной температуре диэлектрической пленки на основе диоксида титана, легированной ванадием в количестве 5% ат. (N.H. Hong et al., Phys.Rev. В, v. 70, p.195204, 2004).

Недостатком указанных материалов является низкая намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения ферромагнитного при комнатной температуре полупроводникового материала путем имплантации ионов кобальта в пластины диоксида титана (Патент RU 2361320 С1, МПК: H01L 21/425).

Недостатками полученного таким способом материала является отсутствие в нем собственного ферромагнитного упорядочения. Намагниченность материала создается при этом введением в материал кластеров ферромагнитного кобальта.

Предлагаемое изобретение отличается от известных следующими элементами:

- в качестве основы предлагается использование эпитаксиальной пленки или пластины полупроводникового в широких пределах проводимости легированного диоксида титана в модификации анатаза, проявляющего собственное ферромагнитное упорядочение при комнатной и выше температурах с высокой величиной намагниченности насыщения; при этом легирование диоксида титана выполняется ванадием при концентрации от 3 до 5% ат. по отношению к титану,

- дополнительно выполняется имплантация указанного ферромагнитного материала ионами кобальта при комнатной температуре с дозами (1.3-1.6)·10¹⁷ см^-2.

Отличительные признаки обеспечивают необходимые электрические и магнитные характеристики указанного материала.

Задачей настоящего изобретения является создание ферромагнитного полупроводникового материала, обладающего высокой намагниченностью при комнатной и выше температурах в отсутствие внешнего магнитного поля.

Технический результат заключается в получении материала на основе диоксида титана, легированного ванадием, что обеспечивает собственное ферромагнитное упорядочение в полупроводнике с высокой намагниченностью насыщения при комнатной температуре, в сочетании с дополнительной имплантацией ионов кобальта в материал, позволяющей сохранить намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля на уровне не менее 70% от намагниченности насыщения.

Поставленная задача решается тем, что ферромагнитный полупроводниковый материал представляет собой ферромагнитную при температурах не менее 300 К пленку на диэлектрической подложке или пластину легированного ванадием полупроводникового диоксида титана, дополнительно имплантированного ионами кобальта; согласно изобретению пленка или пластина диоксида титана легирована ванадием в количестве от 3 до 5% ат. по отношению к титану, дополнительно имплантирована ионами кобальта от 0,1 до 5% ат. при комнатной температуре с дозой (1.3-1.6)·10¹⁷  см^-2 и имеет кристаллическую структуру анатаза и удельное электрическое сопротивление в широком диапазоне от 10^-1 до 10³ Ом·см.

Изобретение поясняется чертежами, демонстрирующими достижение заявляемым ферромагнитным полупроводниковым материалом (Примеры 1-3) указанного свойства, а именно: на фиг.1 представлена петля магнитного гистерезиса пленки TiO₂:5% V, имплантированной ионами Со с дозой 1.5·10¹⁷ см^-2 при комнатной температуре, коэрцитивное поле Hc=80 Э, остаточная намагниченность Mr=75% (результаты Примера 1); на фиг.2 - кривая магнитного гистерезиса пластины TiO₂:5% V, имплантированной ионами Co с дозой 1·10¹⁷ см^-2 при комнатной температуре, Hc=350 Э, Mr=55% (Пример 2); на фиг.3 - кривая магнитного гистерезиса пластины ТiO₂: 5% V, имплантированной ионами Со с дозой 1.5·10¹⁷ см^-2 при комнатной температуре, Нс=490 Э, Mr=89% (Пример 3).

Заявляемые составы легированного полупроводника на основе диоксида титана при его дополнительной имплантации ионами кобальта обеспечивают сохранение высокой остаточной намагниченности материала при температурах выше комнатной и изменение его удельного электрического сопротивления в широком диапазоне.

Обоснование заявленных параметров материала:

- для получения пленок ферромагнитного полупроводника используется металлическая мишень состава V_xTi_100-x, где 3≤x≤5% ат. Такая же величина легирования ванадием используется при выращивании кристаллов VxTi_100-xО_2-δ. Диапазон концентраций легирования обусловлен тем, что при содержании ванадия менее 3% ат. наблюдаются низкие значения намагниченности насыщения, а при содержании ванадия более 5% не гарантируется однофазный состав материала;

- процесс высокочастотного магнетронного распыления мишени для получения пленок диоксида титана проводится в смеси кислорода с аргоном с соотношением компонентов в диапазоне 1/150 - 1/200 при давлении в камере 10^-2 Торр. При больших концентрациях кислорода в смеси получаемые пленки являются диэлектриком, а при меньших имеют металлическую проводимость;

- в качестве подложки при выращивании пленок используют монокристаллический алюминат лантана LaAlO₃, что обеспечивает получение кристаллической модификации анатаза материала;

- при дозах имплантации ионов кобальта менее 1.3·10¹⁷ см^-2 не обеспечивается высокая остаточная намагниченность материала, а при дозах выше 1.6·10¹⁷ см^-2 наблюдается сильное распыление материала ферромагнитного полупроводника.

Параметры получаемых ферромагнитных полупроводников контролировались методом рентгеноструктурного анализа, локального рентгеноспектрального анализа (состав), методом фотоэлектронной спектроскопии (химическое состояние примеси ванадия), измерением удельного электросопротивления и измерением намагниченности методом индукционной магнитометрии.

Заявленные характеристики ферромагнитного полупроводникового материала иллюстрируются следующими примерами.

Пример №1.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti_0.95V_0.05 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. После имплантации в пленку ионов кобальта с дозой 1.5·10¹⁷ см^-2 величина остаточной намагниченности составляла 75% от намагниченности насыщения (фиг.1).

Пример №2.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti_0.95V_0.05 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. Доза имплантации ионов кобальта в пластину состава Ti_0.95V_0.05O_2-δ составляла 1·10¹⁷ см^-2. В этом случае величина остаточной намагниченности составляла 55% от намагниченности насыщения (фиг.2).

Пример №3.

Осаждение пленок проводилось при магнетронном распылении металлической мишени состава Ti_0.95V_0.05 в аргон-кислородной плазме при соотношении кислорода к аргону, равном 1/180, на подложку из алюмината лантана с ориентацией (001) при температуре 650°C. Полученные пленки имели ту же структуру и ориентацию, что и подложка. Результаты фотоэлектронной спектроскопии указывали на окисленное состояние примеси ванадия в пленке. Доза имплантации ионов кобальта в пластину того же состава составляла 1.5·10¹⁷ см^-2. Величина остаточной намагниченности составляла 89% от намагниченности насыщения (фиг.3).

Таким образом, заявляемое решение обеспечивает создание ферромагнитного полупроводникового материала с высокой остаточной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля при температурах выше комнатной и удельным электрическим сопротивлением в широком диапазоне. Такой материал может эффективно использоваться в качестве инжектора и приемника поляризованных носителей заряда в приборах и устройствах спиновой электроники.