Российские ученые совершили прорыв в создании материалов для кремниевой спинтроники

Исследователям из лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского центра НБИКС-технологий впервые в мире удалось синтезировать монокристаллические эпитаксиальные пленки EuO непосредственно на кремнии и определить их структурные, электронные и магнитные свойства. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.

До недавнего времени последовательное улучшение характеристик и уменьшение стоимости приборов микроэлектроники достигалось в согласии с законом Мура. Количество транзисторов в интегральных схемах удваивалось каждые два года, пропорционально росла и рабочая частота.

Однако миниатюризация элементов микросхем ведет к тому, что в силу различных фундаментальных физических ограничений перестают работать принципы, положенные в основу действия устройств на основе кремния. В 2003 году закон Мура дал первый сбой, в том году согласно прогнозам аналитического отдела INTEL транзисторы должны были функционировать на частоте 4 ГГц, а к 2007 году на 10 ГГц, но до сих пор процессоры работают на частотах не превышающих 3.2 ГГц.

Чтобы преодолеть этот физический барьер, во всем мире разрабатывают технологии спинтроники, для которых нужно эпитаксиально соединять кремний с ферромагнитным полупроводником. Это означает, что кристаллы полупроводника нужно выращивать непосредственно на кристаллах кремния. Так получаются так называемые эпитаксиальные спиновые контакты.

Один из лучших кандидатов на «верхний» слой «спинтронного бутерброда» — оксид европия. EuO — единственный магнитный бинарный оксидный полупроводник, который может быть термодинамически стабильным в контакте с кремнием. Материал обладает такими важными для спинтроники характеристиками, как стопроцентная поляризация по спину, демонстрирует гигантское магнетосопротивление, а также переход изолятор-металл.

Тем не менее, интегрировать пленки оксида европия с кремниевой подложкой очень сложно: кристаллическая решетка его не совпадает с кристаллической решеткой кремния, кроме этого на начальном этапе роста пленки параллельно с EuO образуются и другие оксиды, а также силициды, что сильно снижает характеристики интерфейса.

«Эти сложности не позволили создание эпитаксиальных спиновых контактов к кремнию до 2016 года, несмотря на значительные усилия более, чем двух десятков экспериментальных групп в Европе, США и Японии, а также существенные материальные инвестиции. Однако нашей группе впервые в мире удалось синтезировать монокристаллические эпитаксиальные пленки EuO непосредственно на кремнии и определить их структурные, электронные и магнитные свойства. Полученные результаты открывают широкие перспективы создания спиновых инжекторов и спиновых транзисторов — элементной базы кремниевой спинтроники», — говорит Сторчак.

Результаты работы по проекту ученые представили в серии статей, вышедших в авторитетных научных журналах, в том числе, Scientific Reports, Nanotechnology, Nanoscale, Applied Materials&Interfaces.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.