Электрическое управление ферромагнетизмом в полупроводнике (Ga,Mn)As

В последнее время все чаще появляются сообщения об управлении магнитным состоянием вещества с помощью электрического поля без привлечения токов, а значит, без омических потерь. Однако в большинстве случаев это управление реализуется в ферромагнитных оксидах, плохо совместимых с полупроводниковой технологией. В недавней статье в Nature Materials [1] сообщается об управления ферромагнетизмом в магнитном полупроводнике (Ga,Mn)As с помощью электрического поля.

Идея устройства схожа с принципом действия полевого транзистора (рис.1): изменение электрического потенциала на затворе изменяет концентрацию дырок в полупроводниковом материале под ним. Только в данном случае изменение концентрации сказывается не только на проводимости материала, но и на ферромагнетизме, поскольку обменное взаимодействие между ионами марганца, упорядочивающее магнитные моменты в веществе, осуществляется в (Ga,Mn)As дырками валентной зоны. Другой особенностью данной структуры является то, что в качестве изолятора между электродом затвора и полупроводником служит не просто слой диэлектрика, а сегнетоэлектрик с большой поляризуемостью (ferroelectric-gate field-effect transistor (FeFET)).

Как и в истории создания полевого транзистора, простота идеи отнюдь не означала простоту ее технической реализации. В данном случае основные трудности были следующие:

а) равновесная концентрация дырок в материале (Ga,Mn)As довольно высока (1020–1021 cm−3), и для того, чтобы изменения в концентрации, наводимые напряжением на затворе, были заметными, и чтобы избежать эффекта экранировки поля затвора, потребовалось уменьшить толщину полупроводника до 7 нм; подложка из материала с большей величиной запрещенной зоны (Ga,Al)As позволяет создать еще большее пространственное ограничение для дырок (а, следовательно, уменьшить эффективную толщину канала);

б) вторая трудность состоит в плохой технологической совместимости (Ga,Mn)As и сегнетоэлектриков, поскольку при изготовлении последних требуется производить отжиг при температурах 400–600°C, а при этом в арсениде галлия резко уменьшается концентрация ионов Mn, и, соответственно, теряются магнитные свойства полупроводника; выход состоял в использовании вместо обычного перовскитного сегнетоэлектрика полимерного материала – фторида поливинилидена с трифторэтиленом, его температура отжига составляла всего 140°C.

Рис. 1. Схема устройства: полупроводниковый канал из (Ga,Mn)As толщиной 7 нм проходит под затвором из золота, изолированным с помощью сегнетоэлектрика на основе полимера (P(VDF-TrFE), polyvinylidene fluoride trifluoroethylene). Промежуточный (Al,Ga)As слой между проводящим каналом и подложкой из GaAs служит для пространственного ограничения дырок и уменьшения эффективной толщины слоя (Ga,Mn)As. Подача напряжения на затвор существенно изменяет концентрацию дырок в (Ga,Mn)As, и, следовательно, его магнитные и проводящие свойства.

Надо отметить, что это далеко не первая попытка на принципе полевого транзистора осуществить управление магнетизмом в полупроводниках. В отличие от предыдущих реализаций, использовавших в качестве изолятора обыкновенный диэлектрик [2,3], данную схему отличают относительно небольшие управляющие напряжения (десятки вольт вместо сотен) и энергонезависимый (non-volatile) характер намагниченного состояния – система «запоминает» его после снятия электрического напряжения. Как считают авторы [1], продемонстрированный ими принцип откроет дорогу к созданию новых многофункциональных устройств программируемой логики и компьютерной памяти.

1. I. Stolichnov et al, Nature Mater. 7, 464 (2008).

2. H. Ohno, Nature, 408, 944 (2000).

3. D. Chiba, Appl. Phys. Lett. 89, 162505 (2006).

А. Пятаков