Рентгеновская диагностика - Монография

Одним из основных направлений развития микроэлектроники является уменьшение размеров элементов интегральных микросхем (топологической нормы), сопровождающееся увеличением числа элементов в схеме. Для возможности дальнейшего развития требуется применение новых иных физических эффектов, одним из которых является использование для передачи цифровых сигналов фундаментального свойства электрона - спина. Это позволит избежать ограничений, связанных с емкостной постоянной времени, тем самым увеличив производительность, и снизить резистивные напряжение, сопровождающиеся накоплением тепла [1]. Простейшие устройства спинтроники представляют собой пленочные структуры, использующие эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) и эффект туннельного магнетосопротивления (TMR), которые возможно адаптировать для применения в электронной промышленности [2]. Предполагается, что туннельный барьер устранит несоответствие кристаллических решеток, проводимостей, уменьшит взаимодиффузию материалов [5, 6] и даст возможность достичь относительно большой спиновой поляризации инжектируемых электронов.Спинтроника, она же магнитоэлектроника - направление электроники, изучающее магнитные и магнитооптические взаимодействия в металлических и полупроводниковых наногетероструктурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Электроны, создающие ток в электрической цепи, обладают собственным магнитным моментом, согласно принципу квантования проекции спина на выбранную ось электроны разделяют на два типа носителей тока: электроны со спином-вверх и электроны со спином-вниз (Ѕ или-Ѕ) [2]. Наиболее известным эффектом, обнаруженным в металлических многослойных структурах, является эффект гигантского магнетосопротивления (GMR), обусловленный спиновой зависимостью рассеивания электронов проводимости от типа магнитного упорядочения смежных слоев в пленке [2]. Электроны, проходящие через намагниченный ферромагнетик, в зависимости от спина могут испытывать рассеивание на магнитной подрешетке, вследствие чего увеличивается электросопротивление материала. Как видно из рисунка 2, если спин электронов противоположно направлен вектору намагничивания, то электроны испытывает сильное рассеяние, а электроны со спином, сонаправленным с вектором намагничивания, свободно преодолевают ферромагнитный слой.Согласно имеющимся данным исследований, основной причиной малой эффективности инжекции спин-поляризованных электронов в полупроводник является несовершенство границ раздела, поэтому большое внимание было уделено их структурным исследованиям. Предыдущие работы исследовательской группы Института физики твердого тела и микроструктур Гамбургского университета были направлены на получение спиновой инжекции в структурах GAAS/Fe, в основе которой лежит эффект гигантского магнетосопротивления. Образцы производились на установке, позволяющей осуществлять молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE) материалов различного типа в отдельных камерах в автоматическом режиме, а также осуществлять измерения методами дифракции электронов высоких энергий на отражение (RHEED) и атомно-силовой микроскопии (AFM), без извлечения образца из вакуумных камер. В камере молекулярно-лучевой эпитаксии была произведена серия образцов имеющих следующую структуру: - 300 нм тонкий n-слой GAAS (001) с концентрацией носителей 5 · 1016 см-3 служит транспортным каналом спина. После нанесения этих слоев в полупроводниковой эпитаксиальной камере, образец был перемещен в другую камеру, где термически осаждался слой железа, действующий в качестве ферромагнитного инжектора спина.Применение данных эффектов при изготовлении элементов электронных микросхем в рамках широко распространенных в настоящее время технологических процессов затруднительно по той причине, что инжектированные из ферромагнетика в полупроводник электроны не сохраняют свою ориентацию спинов. Проведенные различными исследователями электрические измерения параметров структур GAAS/Fe показывают, что значения коэффициента инжекции не превышает 1%, а длина диффузионного пробега спина составляет около 5 мкм [5-7]. Тонкий туннельный барьер, отделяющий полупроводник от металла может способствовать инжекции спин-поляризованного тока, поскольку во время туннелирования электрона через барьер ориентация спинов не меняется, в то время как снимается несоответствие проводимости между ферромагнитным инжектором и полупроводниковой подложкой [3, 4]. Характеристики туннельного барьера должны быть выбраны таким образом, чтобы общее сопротивление было не слишком велико (это условие не позволяет делать толстые барьеры), структура должна быть достаточно однородной, без отверстий (это исключает тонкие барьеры), и барьер должен быть более-менее проницаемым для большинства электронов, что связано с конкретной зонной структурой всех рассматриваемых материалов, т.е. ферромагнитного металла, полупроводника, и диэлектрика. Как показано на рисунке 8, эффективная высота туннельного ба

Оглавление

1. Введение

2. Литературный обзор: 2.1 Спинтроника

2.2 Спиновые токи в структурах GAAS/Fe

2.3 Применение оксида магния

2.4 Метод рентгеновского рассеяния

2.5 Метод рентгеновской рефлектометрии

3. Экспериментальные методики: 3.1 Измерение индикатрис рассеяния

3.2 Измерение кривых отражения

4. Результаты исследований наноструктур: 4.1 Исследование туннельных барьеров MGO

4.2 Исследование структур GAAS/MGO/Fe

5. Заключение

6. Список литературы

Одним из основных направлений развития микроэлектроники является уменьшение размеров элементов интегральных микросхем (топологической нормы), сопровождающееся увеличением числа элементов в схеме. Очевидно, что данный процесс не может продолжаться бесконечно изза технологических ограничений. Для возможности дальнейшего развития требуется применение новых иных физических эффектов, одним из которых является использование для передачи цифровых сигналов фундаментального свойства электрона - спина. Это позволит избежать ограничений, связанных с емкостной постоянной времени, тем самым увеличив производительность, и снизить резистивные напряжение, сопровождающиеся накоплением тепла [1]. Данное направление развития микроэлектроники получило название спинтроника. Простейшие устройства спинтроники представляют собой пленочные структуры, использующие эффект гигантского магнетосопротивления (GMR) и эффект туннельного магнетосопротивления (TMR), которые возможно адаптировать для применения в электронной промышленности [2].

Среди актуальных проблем спинтроники можно выделить низкую эффективность инжекции спин-поляризованных электронов в полупроводник. Основными причинами является несовершенство границ раздела, несоответствие кристаллических решеток и проводимостей материалов. Для преодоления данной проблемы планируется использовать наноструктурированные туннельные барьеры MGO между ферромагнитным инжектором и полупроводником. При спин-зависимом туннелировании теоретически и экспериментально показано увеличение эффективности поляризации [3, 4]. Предполагается, что туннельный барьер устранит несоответствие кристаллических решеток, проводимостей, уменьшит взаимодиффузию материалов [5, 6] и даст возможность достичь относительно большой спиновой поляризации инжектируемых электронов.

Настоящая работа является частью международного проекта, посвященного моделированию, созданию и изучению параметров тонкопленочных наноструктур с барьерным слоем MGO [7]. Инициатором проекта является исследовательская группа Физического факультета и центра микроструктур Гамбургского университета, Германия. Группа имеет научный и технический задел в области создания и исследования металлических и полупроводниковых покрытий наноразмерной толщины. Оборудование, имеющееся в центре микроструктур позволяет не только получать структуры требуемой толщины, но и изготовлять прототипы микроэлектронных устройств, при этом проводя электрические измерения их параметров, в том числе под влиянием внешнего магнитного поля. Результаты, полученные группой Гамбургского университета, представлены в разделе 2. Стороны-участники проекта представлены следующими организациями: Технологический университет г. Жешув, Польша; Институт кристаллографии РАН, Москва. Работа выполнена в Лаборатории рентгеновской рефлектометрии и малоуглового рассеяния Института кристаллографии РАН. Лаборатория обладает оборудованием, позволяющим осуществлять контроль параметров шероховатости границ раздела и толщин нанесенных покрытий рентгеновскими методами. Данное оборудование было использовано автором в настоящей работе для проведения исследований в рамках данного проекта. Методики проведения экспериментов изложены в разделе 3. Личный вклад заключается в применении методов рентгеновской диагностики тонкопленочных наноструктур, а именно в проведении экспериментов методами рентгеновской рефлектометрии и рентгеновского рассеяния, по данным которых были установлены параметры нанесенных слоев и статистические характеристики границ раздела исследованных образцов. Полученные результаты представлены в разделе 4.