Arseniuro de galio y manganeso

Arseniuro de galio y manganeso , fórmula química (Ga, Mn) As es un semiconductor magnético . Se basa en el segundo semiconductor más utilizado en el mundo , el arseniuro de galio (fórmula química GaAs ), y es fácilmente compatible con las tecnologías de semiconductores existentes . A diferencia de otros semiconductores magnéticos diluidos , como la mayoría de los basados ​​en semiconductores II-VI , no es paramagnético ^[1] sino ferromagnético y, por tanto, presenta un comportamiento de magnetización histerético . Este efecto de memoria es importante para la creación de dispositivos persistentes. En(Ga, Mn) Como , los átomos de manganeso proporcionan un momento magnético, y cada uno también actúa como aceptor , lo que lo convierte en un material de tipo p . La presencia de portadores permite que el material se utilice para corrientes de espín polarizado . Por el contrario, muchos otros semiconductores magnéticos ferromagnéticos son fuertemente aislantes ^{[2] [3]} y, por lo tanto, no poseen portadores libres . (Ga, Mn) As es por tanto un candidato como material espintrónico .

Crecimiento

Como otros semiconductores magnéticos, (Ga, Mn) As se forma dopando un semiconductor estándar con elementos magnéticos. Esto se hace utilizando la técnica de crecimiento de la epitaxia de haz molecular , mediante la cual las estructuras cristalinas se pueden cultivar con precisión en la capa de átomos. En (Ga, Mn) Como el manganeso se sustituye en sitios de galio en el cristal de GaAs y proporciona un momento magnético. Porque el manganeso tiene una baja solubilidad en GaAs , incorporando una concentración suficientemente alta para ferromagnetismolograrlo resulta un desafío. En el crecimiento de epitaxia de haz molecular estándar, para asegurar que se obtiene una buena calidad estructural, la temperatura a la que se calienta el sustrato, conocida como temperatura de crecimiento, es normalmente alta, típicamente ~ 600 ° C. Sin embargo, si se utiliza un gran flujo de manganeso en estas condiciones, en lugar de incorporarse, se produce una segregación donde el manganeso se acumula en la superficie y forma complejos con átomos de arsénico elemental. ^[4] Este problema se resolvió utilizando la técnica de epitaxia de haz molecular a baja temperatura. Se encontró, primero en (In, Mn) As ^[5] y luego se usó para (Ga, Mn) As , ^[6] que al utilizar técnicas de crecimiento de cristales sin equilibrio, un dopante más grandelas concentraciones podrían incorporarse con éxito. A temperaturas más bajas, alrededor de 250 ° C, no hay suficiente energía térmica para que se produzca la segregación de la superficie, pero todavía es suficiente para que se forme una aleación de cristal único de buena calidad. ^[7]

Además de la incorporación sustitutiva de manganeso, la epitaxia de haz molecular a baja temperatura también provoca la inclusión de otras impurezas. Las otras dos impurezas comunes son el manganeso intersticial ^[8] y los antisitos de arsénico. ^[9] El primero es donde el átomo de manganeso se encuentra entre los otros átomos en la estructura reticular de mezcla de zinc y el segundo es donde un átomo de arsénico ocupa un sitio de galio. Ambas impurezas actúan como dobles donantes, eliminando los orificios que proporciona el manganeso sustitutivo, por lo que se conocen como defectos compensadores. El manganeso intersticial también se une antiferromagnéticamente al manganeso de sustitución, eliminando el momento magnético. Ambos defectos son perjudiciales para la ferromagnética.propiedades de (Ga, Mn) As , por lo que no son deseadas. ^[10]

La temperatura por debajo del cual la transición de paramagnetismo a ferromagnetismo se produce se conoce como la temperatura de Curie , T _C . Las predicciones teóricas basadas en el modelo Zener sugieren que la temperatura de Curie escala con la cantidad de manganeso, por lo que es posible una T _{C por} encima de 300 ° K si se pueden alcanzar niveles de dopaje con manganeso tan altos como el 10%. ^[11] Después de su descubrimiento por Ohno et al. , ^[6] las temperaturas de Curie más altas reportadas en (Ga, Mn) As subieron de 60 ° K a 110 ° K. ^[7]Sin embargo, a pesar de las predicciones de ferromagnetismo a temperatura ambiente , no se realizaron mejoras en la T _C durante varios años.

Como resultado de esta falta de progreso, comenzaron a hacerse predicciones de que 110 ° K era un límite fundamental para (Ga, Mn) As . La naturaleza auto-compensación de los defectos limitaría los posibles agujeros concentraciones, evitando mayores ganancias en T _C . ^[12] El mayor avance provino de las mejoras en el recocido posterior al crecimiento. Usando temperaturas de recocido comparables a la temperatura de crecimiento, fue posible pasar la barrera de 110 ° K. ^{[13] [14] [15]} Estas mejoras se han atribuido a la eliminación del manganeso intersticial altamente móvil. ^[dieciséis]

Actualmente, los valores más altos reportados de T _C en (Ga, Mn) As son alrededor de 173 ° K, ^{[17] [18]} todavía muy por debajo de la temperatura ambiente tan buscada. Como resultado, las mediciones de este material deben realizarse a temperaturas criogénicas, lo que actualmente excluye cualquier aplicación fuera del laboratorio. Naturalmente, se está invirtiendo un esfuerzo considerable en la búsqueda de semiconductores magnéticos alternativos que no compartan esta limitación. ^{[19] [20] [21] [22] [23]} Además de esto, a medida que se perfeccionan y mejoran las técnicas y el equipo de epitaxia de haz molecular, se espera que un mayor control sobre las condiciones de crecimiento permita nuevos avances incrementales en laTemperatura de Curie de (Ga, Mn) As .

Propiedades

Independientemente del hecho de que aún no se ha logrado el ferromagnetismo a temperatura ambiente , los materiales semiconductores magnéticos como (Ga, Mn) As , han mostrado un éxito considerable. Gracias a la rica interacción de la física inherente a los semiconductores magnéticos, se ha demostrado una variedad de nuevos fenómenos y estructuras de dispositivos. Por lo tanto, es instructivo hacer una revisión crítica de estos principales desarrollos.

Un resultado clave en la tecnología de semiconductores magnéticos es el ferromagnetismo controlable , en el que se utiliza un campo eléctrico para controlar las propiedades ferromagnéticas. Esto fue logrado por Ohno et al. ^[24] utilizando un transistor de efecto de campo de puerta aislante con (In, Mn) As como canal magnético. Las propiedades magnéticas se dedujeron de las mediciones Hall del canal dependientes de la magnetización . Usando la acción de la puerta para agotar o acumular agujeros en el canal, fue posible cambiar la característica de la respuesta de Hall para que sea la de un paramagnet o de un ferromagnet. Cuando la temperatura de la muestra estaba cerca de su T _C , era posible activar o desactivar el ferromagnetismo aplicando un voltaje de puerta que podría cambiar la T _C en ± 1 ° K.

Se utilizó un dispositivo de transistor similar (In, Mn) As para proporcionar más ejemplos de ferromagnetismo controlable . ^[25] En este experimento, el campo eléctrico se utilizó para modificar el campo coercitivo en el que se produce la inversión de magnetización. Como resultado de la dependencia de la histéresis magnética de la polarización de la puerta, el campo eléctrico podría usarse para ayudar a la inversión de magnetización o incluso desmagnetizar el material ferromagnético . La combinación de funcionalidad magnética y electrónica demostrada por este experimento es uno de los objetivos de la espintrónica y se puede esperar que tenga un gran impacto tecnológico.

Otra funcionalidad espintrónica importante que se ha demostrado en semiconductores magnéticos es la inyección de espín . Aquí es donde se utiliza la alta polarización de espín inherente a estos materiales magnéticos para transferir portadores polarizados de espín a un material no magnético. ^[26] En este ejemplo, se usó una heteroestructura totalmente epitaxial donde se inyectaron agujeros polarizados de espín desde una capa (Ga, Mn) As a un pozo cuántico (In, Ga) As donde se combinan con electrones no polarizados de una n -tipo sustrato. Se midió una polarización del 8% en la electroluminiscencia resultante . Esto es nuevamente de interés tecnológico potencial, ya que muestra la posibilidad de que los estados de espín en semiconductores no magnéticos puedan manipularse sin la aplicación de un campo magnético.

(Ga, Mn) As ofrece un material excelente para estudiar la mecánica de la pared de dominios porque los dominios pueden tener un tamaño del orden de 100 μm. ^[27] Se han realizado varios estudios en los que se utilizan constricciones laterales definidas litográficamente ^[28] u otros puntos de fijación ^[29] para manipular las paredes del dominio . Estos experimentos son cruciales para comprender la nucleación y propagación de la pared de dominio, lo que sería necesario para la creación de circuitos lógicos complejos basados ​​en la mecánica de la pared de dominio . ^[30] Muchas propiedades de los muros de dominiotodavía no se comprenden completamente y un tema particularmente sobresaliente es la magnitud y el tamaño de la resistencia asociada con el paso de la corriente a través de las paredes del dominio . Se han informado valores tanto positivos ^[31] como negativos ^[32] de la resistencia de la pared del dominio , lo que deja esto como un área abierta para futuras investigaciones.

Se proporciona como referencia un ejemplo de un dispositivo simple que utiliza paredes de dominio ancladas . ^[33] Este experimento consistió en una isla estrecha definida litográficamente conectada a los cables a través de un par de nanoconstricciones. Mientras que el dispositivo operaba en un régimen difusivo, las constricciones pinzarían las paredes del dominio , dando como resultado una señal de magnetorresistencia gigante . Cuando el dispositivo opera en un régimen de tunelización, se observa otro efecto de magnetorresistencia , que se analiza a continuación.

Otra propiedad de las paredes de dominio es la del movimiento de pared de dominio inducido por corriente . Se cree que esta inversión se produce como resultado del par de transferencia de espín ejercido por una corriente polarizada de espín . ^[34] Se demostró en la referencia ^[35] utilizando un dispositivo lateral (Ga, Mn) As que contiene tres regiones que se han modelado para tener diferentes campos coercitivos, lo que permite la fácil formación de una pared de dominio.. La región central se diseñó para tener la coercitividad más baja, de modo que la aplicación de pulsos de corriente podría hacer que se cambiara la orientación de la magnetización. Este experimento mostró que la corriente requerida para lograr esta inversión en (Ga, Mn) As era dos órdenes de magnitud menor que la de los sistemas metálicos. También se ha demostrado que la inversión de magnetización inducida por corriente puede ocurrir a través de una unión de túnel vertical (Ga, Mn) As / GaAs / (Ga, Mn) As . ^[36]

Otro efecto espintrónico novedoso , que se observó por primera vez en los dispositivos de túnel basados en (Ga, Mn) As , es la magnetorresistencia anisotrópica de túnel. Este efecto surge de la intrincada dependencia de la densidad de efecto túnel de los estados de la magnetización, y puede resultar en magnetorresistencia de varios órdenes de magnitud. Esto se demostró primero en estructuras de túneles verticales ^{[33] [37]} y luego en dispositivos laterales. ^[38] Esto ha establecido la magnetorresistencia anisotrópica de efecto túnel como una propiedad genérica de las estructuras de túnel ferromagnético. De manera similar, la dependencia de la energía de carga de un solo electrón en la magnetización ha resultado en la observación de otro efecto dramático de magnetorresistencia en un(Ga, Mn) Como dispositivo, la llamada magnetorresistencia anisotrópica de bloqueo de Coulomb .

Referencias

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