• Покупка статей
  • Telegram_OreMet
Скрыть↑
Журналы →  Материалы электронной техники →  2011 →  №3 →  Назад

Название Разработка ферромагнитных полупроводников для применения в спиновой электронике: состояние и перспективы
Автор А. Ф. Орлов, И. В. Кулеманов, Ю. Н. Пархоменко, Н. С. Перов, А. С. Семисалова
Информация об авторе А. Ф. Орлов; И. В. Кулеманов; Ю. Н. Пархоменко, ОАО «Гиредмет»; Н. С. Перов; А. С. Семисалова, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
Реферат

Рассмотрены состояние и перспективы работ по созданию ферромагнитных полупроводниковых материалов для использования в устройствах спиновой электроники и информатики. Приведены достигнутые результаты по перспективным классам ферромагнитных полупроводниковых материалов: легированным элементарным полупроводникам, соединениям типа AIIIBV и полупроводниковым оксидам. Указаны нерешенные проблемы в рассматриваемой области и намечены возможные пути их решения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (контракт № 16.513.11.3088) и РФФИ (грант № 10-02-00804а).
Ключевые слова Ферромагнитные полупроводники, спиновая электроника.
Библиографический список

1. Munekata, H. Diluted magnetic III—V semiconductors / H. Munekata, H. Ohno, S. von Molnar, A. Segmuller, L. L. Chang, L. Esaki // Phys. Rev. Lett. - 1989. - V. 63. - P. 1849.
2. Ohno, H. (Ga,Mn)As: A new diluted magnetic semiconductor based on GaAs / H. Ohno, A Shen, F. Matsukura, A. Oiwa, A. Endo, S. Katsumoto, Y. Lye // Appl. Phys. Lett. - 1996. - V. 69. - P. 363.
3. Zutic, I. Spintronics: Fundamentals and applications / I. Zutic, J. Fabian, S. Das Sarma // Rev. Modern Phys. - 2004. - V. 76. - P. 323.
4. Kryder, M. H. After hard drives — what comes next? / M. H. Kryder, M. H. Chang Soo Kim // IEEE Transactions on Magnetics. - 2009. - V. 45. - P. 3406.
5. Dietl, T. Zener model description of ferromagnetism in zinc-blende magnetic semiconductors / T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Gilbert, D. Ferrand // Science. - 2000. - V. 287. - P. 1019.
6. Matsumoto, Y. Room-temperature ferromagnetism in transparent transition metal-doped titanium dioxide / Y. Matsumoto, M. Murakami, T. Shono, T. Hasegava, T. Fukumura, M. Kavasaki, P. Ahmet, T. Chikuow, S.-Y. Koshihara, H. Koinuma // Science. - 2001. - V. 291. - P. 854.
7. Han, S. -J. // A key to room-temperature ferromagnetism in Fe-doped ZnO : Cu / S. J. Han, S. W. Song, C.-H. Yang, S. H. Park, J.-H. Park, Y. H. Jeong, K. W. Rhie // Appl. Phys. Lett. - 2002. - V. 81. - P. 4212.
8. Ogale, S. B. High temperature ferromagnetism with a giant magnetic moment in transparent Co-doped SnO2-δ / S. B. Ogale, R. J. Choudhary, J. -P. Buban, S. E. Lofland, S. R. Shinde, S. N. Kale, V. N. Kulkarni, J. Higgins, C. Lanci, J. R. Simpson, N. D. Browning, S. Das Sarma, H. D. Drew, R. L. Greene, T. Venkatesan // Phys. Rev. Lett. - 2003. - V. 91. - P. 077205.
9. Hori, H. High-TC ferromagnetism in diluted magnetic semiconducting GaN : Mn films / H. Hori, S. Sonoda, T. Sasaki, Y. Yamamoto, C. Shimizi, K.-I. Suga, K. Kindo // Physica B. - 2002. - V. 324. - P. 142.
10. Mark, S. Fully electrical read-write device out of a ferromagnetic semiconductor / S. Mark, P. Dürrenfeld, K. Pappert, L. Ebel, K. Brunner, C. Gould, L. W. Molenkamp // Phys. Rev. Lett. - 2011. - V. 106, N 5. - P. 057204.
11. Park, Y. D. A Group-IV ferromagnetic semiconductor: MnxGe1-x / Y. D. Park, A. T. Hanbicki, S. C. Erwin, C. S. Hellberg, J. M. Sullivan, J. E. Mattson, T. F. Ambrose, A. Wilson, G. Spanos, B. T. Jonker // Science. - 2002. - V. 295. - P. 651—654.
12. Ahlers, S. // Magnetic and structural properties of GexMn1-x films: Precipitation of intermetallic nanomagnets / S. Ahlers, D. Bougeard, N. Sircar, G. Abstreiter, A. Trampert, M. Opel, R. Gross // Phys. Rev. B. - 2006. - V. 74, N 21. - P. 214411.
13. Дмитриев, А. И. Спин-волновой резонанс в пленках Ge1-xMnx, обладающих перколяционным ферромагнетизмом / А. И. Дмитриев, Р. Б. Моргунов, О. Л. Казакова, Й. Танимото // ЖЭТФ. - 2009. - Т. 135. - С. 1134.
14. Jaeger, C. Spin-glass-like behavior of Ge : Mn / C. Jaeger, C. Bihler, T. Vallaitis, S. T. B. Goennenwein, M. Opel, R. Gross, M. S. Brandt // Phys. Rev. B. - 2006. - V. 74, N 4. - P. 045330.
15. Biegger, E. Intrinsic ferromagnetism versus phase segregation in Mn-doped Ge / E. Biegger, L. Stäheli, M. Fonin, U. Rüdiger, Yu. S. Dedkov // J. Appl. Phys. - 2007. - V. 101, N 10. - P. 103912.
16. Gao, W. Structure and magnetic properties of FexGe1−x films / W. Gao, D. Hou, Y. Hu, S. Wei // Solid State Commun. - 2009. - V. 149, N 43–44. - P. 1924—1927.
17. Zhang, F. M. Investigation on the magnetic and electrical properties of crystalline Mn0,05Si0,95 films / F. M. Zhang, X. C. Liu, J. Gao, X. S. Wu, Y. W. Du, H. Zhu, J. Q. Xiao, P. Chen // Appl. Phys. Lett. - 2004. - V. 85, N 5. - P. 786.
18. Bolduc, M. Above room temperature ferromagnetism in Mn-ion implanted Si / M. Bolduc, C. Awo−Affouda, A. Stollenwerk, M. B. Huang, F. G. Ramos, G. Agnello, V. P. LaBella // Phys. Rev. B. - 2005. - V. 71, N 3. - P.033302.
19. Bandaru, P. R. Enhanced room temperature ferromagnetism in Co- and Mn-ion-implanted silicon / P. R. Bandaru, J. Park, J. S. Lee, Y. J. Tang, L.−H. Chen, S. Jin, S. A. Song, J. R. O’Brien // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 89, N 11. - P. 112502.
20. Yoon, I. T. Magnetic and optical properties of Mn-implanted Si material / I. T. Yoon, C. J. Park, T. W. Kang // J. Magn. Mater. - 2007. - V. 311. - P. 693.
21. Демидов, Е. С. Ферромагнетизм в эпитаксиальных слоях германия и кремния, пересыщенных примесями марганца и железа / Е. С. Демидов, Ю. А. Данилов, В. В. Подольский, В. П. Лесников, М. В. Сапожников, А. И. Сучков // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 83, № 12. - С. 664.
22. Demidov, E. S. High-temperature ferromagnetism in laser-deposited layers of silicon and germanium doped with manganese or iron impurities / E. S. Demidov, B. A. Aronzon, S. N. Gusev, V. V. Karzanov, A. S. Lagutin, V. P. Lesnikov, S. A. Levchuk, S. N. Nikolaev, N. S. Perov, V. V. Podolskii, V. V. Rylkov, M. V. Sapozhnikov, A. V. Lashkul // J. Magn. Mater. - 2009. - V. 321, N 7. - P. 690—694.
23. Misiuk, A. Structure and magnetic properties of Si : Mn annealed under enhanced hydrostatic pressure / A. Misiuk, J. Bak-Misiuk, B. Surma, W. Osinniy, M. Szot, T. Story, J. Jagielski // J. Alloys and Compounds. - 2006. - V. 423. - P. 201.
24. Shengqiang Zhou, Structural and magnetic properties of Mn-implanted Si / Shengqiang Zhou, K. Potzger, Gufei Zhang, A. Mucklich, F. Eichhorn, N. Schell, R. Grotzchel, W. Scorupa, M. Helm, J. Fassbender, D. Geiger // Phys. Rev. B. - 2006. - V. 75. - P. 085203.
25. Wolska, A. // Local structure around Mn atoms in Si crystals implanted with Mn+ studied using x-ray absorption spectroscopy techniques / A. Wolska, K. Lawniczak-Jablonska, M. Klepka, M. S. Walchzak, A. Misiuk // Ibid. - 2007. - V. 75. - P. 113201.
26. Liu, X. C. Hole-mediated ferromagnetism in polycrystalline Si1-xMnx : B films / X. C. Liu, Z. H. Lu, Z. L. Lu, L. Y. Lu, X. S. Wu, F. M. Zhang, Y. W. Du // J. Appl. Phys. - 2006. - V. 100. - P. 073903.

27. Отроков, М. М. Магнитное упорядочение в дискретных сплавах полупроводников IV группы с переходными 3d-металлами / М. М. Отроков, В. В. Тугушев, А. Эрнст, В. М. Кузнецов, Е. В. Чулков // ЖЭТФ. - 2011. - Т. 139. - С. 720.
28. Орлов, А. Ф. О состоянии имплантированной примеси Mn в Si / А. Ф. Орлов, В. Т. Бублик, В. И. Вдовин, Ю. А. Агафонов, Л. А. Балагуров, В. И. Зиненко, И. В. Кулеманов, К. Д. Щербачев // Кристаллография. - 2009. - Т. 54. - С. 596.
29. Орлов, А. Ф. Структура, электрические и магнитные свойства и природа ферромагнетизма при комнатной температуре в имплантированном Mn кремнии / А. Ф. Орлов, А. Б. Грановский, Л. А. Балагуров, И. В. Кулеманов, Ю. Н. Пархоменко, Н. С. Перов, Е. А. Ганьшина, В. Т. Бублик, К. Д. Щербачев, А. В. Картавых, В. И. Вдовин, А. Сапелкин, Ю. А. Агафонов, В. И. Зиненко, А. Рогалев, А. Смехова // ЖЭТФ. - 2009. - Т. 136. - С. 703.
30. Dubroca, T. Quasiferromagnetism in semiconductors / T. Dubroca, J. Hack, R. E. Hummel, A. Angerhofer // Appl. Phys. Lett. - 2006. - V. 88. - P. 182504.
31. Адашкевич, С. В. Локальное магнитное упорядочение в кремнии, имплантированном высокоэнергетичными ионами / С. В. Адашкевич, Н. М. Лапчук, В. Ф. Стельмах, Г. Г. Федорук, Е. Н. Шумская // Письма в ЖЭТФ. - 2007. - Т. 84. - С. 642.
32. Pearton, S. J. // Dilute magnetic semiconducting oxides / S. J. Pearton, M. H. Heo, M. Ivill, D. P. Norton, T. Steiner // Semicond. Sci. Technol. - 2004. - V. 19. - P. R59.
33. Dietl, T. Origin and control of ferromagnetism in dilute magnetic semiconductors and oxides / T. Dietl // J. Appl. Phys. - 2008. - V. 103. - P. 07D111.
34. Балагуров, Л. А. Граничные условия возникновения ферромагнитной фазы при осаждении пленок Ti1-xCoxO2-δ / Л. А. Балагуров, Е. А. Ганьшина, С. О. Климонский, С. П. Кобелева, А. Ф. Орлов, Н. С. Перов, Д. Г. Яркин // Кристаллография. - 2005. - Т. 50. - С. 540.
35. Balagurov, L. A. Impact of vacuum thermal treatments on the structure and magnetic properties of titanium oxide films doped with Co / L. A. Balagurov, S. O. Klimonsky, S. P. Kobeleva, A. S. Konstantinova, A. F. Orlo1, N. S. Perov, A. Sapelkin, D. G. Yarkin // J. Phys.: Cond. Matter. - 2006. - V. 18. - P. 10999.
36. Орлов, А. Ф. Собственный ферромагнетизм в полупроводниковом оксиде Ti1-xCoxO2-δ, создаваемый инжекцией вакансий / А. Ф. Орлов, Л. А. Балагуров, И. В. Кулеманов, Н. С. Петров, Е. А. Ганьшина, Л. Ю. Фетисов, A. Rogalev, A. Smekhova, J. C. Cezar // ФТТ. - 2011. - Т. 53. - С. 452.
37. Park, W. K. Semiconducting and ferromagnetic behavior of sputtered Co-doped TiO2 thin films above room temperature / W. K. Park, R. J. Ortega-Hertogs, J. S. Moodera // J. Appl. Phys. - 2002. - V. 91. - P. 8093.
38. Fukumura, T. Role of charge carriers for ferromagnetism in cobalt-doped rutile TiO2 / T. Fukumura, H. Toyosaki, K. Ueno, M. Nakano, M. Kawasaki // New J. Phys. - 2008. - V. 10. - P. 055018.
39. Roberts, K. G. Defect-mediated ferromagnetism in insulating Co-doped anatase TiO2 thin films / K. G. Roberts, M. Varela, S. Rashkeev, S. T. Pantelides, S. J. Pennycook, K. M. Krisnan // Phys. Rev. B. - 2008. - V. 78, N 1. - P. 014409.
40. Sato, K. Material design for transparent ferromagnets with ZnO-based magnetic semiconductors / K. Sato, H. Katayama-Yoshida // Jap. J. Appl. Phys. - 2000. - V. 39, pt. 2. - P. L555.
41. Sun, H. Structural, electronic, and magnetic properties of small vanadium clusters / H. Sun, Y. H. Luo, J. Zhao, G. Wang // Phys. Status Solidi b. - 1999. - V.215. - P. 1127.
42. Hong, N. H. Ferromagnetism in transition-metal-doped TiO2 thin films / N. H. Hong, J. Sakai, W. Prellier, A. Hassini, F. Gervais // Phys. Rev. B. - 2004. - V. 70. - P. 195204.
43. Hong, N. H. Magnetic structure of V : TiO2 and Cr : TiO2 thin films from magnetic force microscopy measurements / N. H. Hong, A. G. Ruyter, F. Prellier, J. Sakai // J. Appl. Phys. - 2005. - V. 97. - P. 10D323.
44. Lu, X. Room-temperature ferromagnetism in Ti1-xVxO2 nanocrystals synthesized from an organic-free and water-soluble precursor / X. Lu, J. Li, X. Mou // J. Alloys and Compounds. - 2010. - V. 499. - P. 160.
45. Hai, N. H. Preparation of magnetic nanoparticles embedded in polystyrene microspheres / N. H. Hai, N. T. Khoi, P.-V. Vinh // J. Phys.: Conf. Series. - 2009. - V. 187. - P. 012071.
46. Иванов, В. А. Кластерный ферромагнетизм в InSb, легированном Mn / В. А. Иванов, О. Н. Пашкова, Е. А. Уголкова, В. П. Саныгин, Р. М. Галера // Неорган. материалы. - 2008. - Т. 44. - С. 1168.
47. Лобановский, А. С. Метамагнетизм вблизи TC в Mn-замещенном халькопирите Cd0,90Mn0,10GeAs2 / А. С. Лобановский, В. М. Новоторцев, С. Ф. Маренкин, В. М. Трухан, Т. В. Шелковая // Письма в ЖЭТФ. - 2009. - Т. 89. - С. 391.
48. Новоторцев, В. М. Физико-химические основы синтеза новых ферромагнетиков из халькопиритов AIIBIVC / В. М. Новоторцев, С. Ф. Маренкин, И. В. Федорченко, А. В. Кочура // ЖНХ. - 2010. - Т. 55. - С. 1868.
49. Sonoda, S. Molecular beam epitaxy of wurtzite (Ga,Mn)N films on sapphire (0001) showing the ferromagnetic behaviour at room temperature / S. Sonoda, S. Shimizu, T. Sasaki, Y. Yamamoto, H. Hori // J. Cryst. Growth. - 2002. - V. 237. - P. 1358.
50. Liu, H. X. Observation of ferromagnetism above 900 K in Cr—GaN and Cr—AlN / H. X. Liu, S. Y. Wu, R. K. Singh, Lin Gu, D. J. Smith, N. Newman, N. R. Dilley, L. Montes, M. B. Simmons // Appl. Phys. Lett. - 2004. - V. 85. - P. 4076.
51. Das, G.-P. Ferromagnetism in Cr-doped GaN: A first principles calculation / G.-P. Das, B. K. Rao, P. Jena // Condensed Matter - 2002. - P. 0208258
52. Sato, K. Material design of GaN-based ferromagnetic diluted magnetic semiconductors / K. Sato, H. Katayama-Yoshida // Jap. J. Appl. Phys. - 2001. - V. 40. - P. L485.
53. Hite, J. K. Effects of proton irradiation on the magnetic properties of GaGdN and GaCrN / J. K. Hite, K. K. Allums, G. T. Thaler, S. R. Abernathy, S. J. Pearton, R. M. Frasier, R. Dwivedi, R. Wilkins, J. M. Zavada // New J. Phys. - 2008. - V. 10. - P. 055005.
54. Hashimoto, M. MBE growth and properties of GaCrN / M. Hashimoto, Y. -K. Zhou, M. Kanamura, H. Katayama-Yosida, H. Asahi //J. Cryst. Growth. - 2003. - V. 251. - P. 327.
55. Dhar, S. Colossal Magnetic Moment of Gd in GaN / S. Dhar, O. Brandt, M. Ramsteiner, V. F. Sapega, K. H. Ploog // Phys. Rev. Lett. - 2005. - V. 94. - P. 037205.
56. Khaderbad, M. A. Effect of annealing on the magnetic properties of Gd focused ion beam implanted GaN / M. A. Khaderbad, S. Dhar, L. Perez, K. H. Ploog // Appl. Phys. Lett. - 2007. - V. 91. - P. 072514.
57. Zhou, Y. K. High Gd concentration GaGdN grown at low temperatures / Y. K. Zhou, S. W. Choi, S. Kimura, S. Hasegawa // J. Supercond. and Novel Magn. -2007. - V. 20. - P. 1557.
58. Roever, M. Electron stabilized ferromagnetism in GaGdN / M. Roever, D.-D. Mai, A. Bedoya-Pinto, J. Malindretos, A. Rizzi // Physica status solidi (c). - 2008. - V. 5. - P. 2352.
59. Zhou, Y. K. Large magnetization in high Gd concentration GaGdN and Si-doped GaGdN grown at low temperatures / Y. K. Zhou, S. W. Choi, S. Emura, S. Hasegawa, H. Asahi // Appl. Phys. Lett. - 2008. - V. 92. - P. 062505.
60. Hejtmanek, J. On the magnetic properties of Gd implanted GaN / J. Hejtmanek, K. Knizek, M. Marysko, Z. Jikak, D. Sedmidubsky, Z. Sofer, V. Perina, H. Hardtdegen, C. Buchai // J. Appl. Phys. - 2008. - V. 103. - P. 07D107.
61. Litvinov, V. I. Room-temperature ferromagnetism in dielectric GaN(Gd) / V. I. Litvinov, V. K. Dugaev // Appl. Phys. Lett. - 2009. - V. 94. - P. 212506.
62. Davies, P. R. Defect-enhanced ferromagnetism in Gd- and Si-coimplanted GaN / P. R. Davies, B. -P. Gilla, C. R. Abernathy, S. J. Pearton, C. J. Stanton // Ibid. - 2010. - V. 96. - P. 212502.
63. Ney, A. Gd-doped GaN studied with element specificity: very small polarization of Ga, paramagnetism of Gd and the formation of magnetic clusters / A. Ney, T. Kammerlinger, K. Ollefs, V. Ney, S. Ye, S. Dhar, K. H. Ploog, M. Rovec, J. Maindretos, A. Rizzi, F. Wilhelm, A. Rogalev // JMMM. - 2010. - V. 322. - P. 1162.
64. Orlov, A. F. Giant magnetic moments in dilute magnetic semiconductors / A. F. Orlov, L. A. Balagurov, A. S. Konstantinova, N. S. Perov, D. G. Yarkin // JMMM. - 2008. - V. 320. - P. 895.
65. Wang, R. Electrical and magnetic properties of GaN codoped with Eu and Si / R. Wang, A. J. Steckl, N. Nepal, J. M. Zavada // J. Appl. Phys. - 2010. - V. 107. - P. 013901.
66. Орлов, А. Ф. Магнитные и магнитооптические свойства ферромагнитного полупроводника GaN : Cr / А. Ф. Орлов, Л. А. Балагуров, И. В. Кулеманов, Н. С. Перов, Е. А. Ганьшина, А. С. Семисалова, А. Д. Рубачева, В. И. Зиненко, Ю. А. Агафонов, В. В. Сарайкин // ФТТ. - 2011. В печати.
67. Sonoda, S. Intrinsic mechanism for high temperature ferromagnetism in GaMnN / S. Sonoda, I. Tanaka, H. Ikeno, T. Yamamoto, F. Oba, T. Araki, Y. Yamamoto, K.-I. Suga, Y. Nanishi, Y. Akasaka, K. Kindo, H. Hori // Condensed Matter. - 2005. - P. 0511435.
Language of full-text русский
Полный текст статьи Получить
Назад