Способ генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке

Изобретение относится к нанополупроводниковому приборостроению и может быть использовано в устройствах спиновой электроники (спинтроники) в качестве спинового фильтра. Спиновый фильтр действует следующим образом. В открытую двумерную квантовую точку инжектируются носители зарядов. В режиме спиновой фильтрации измеряют проводимость указанной квантовой точки в широком интервале энергий носителей зарядов. Выбирают в измеренном интервале энергий один из узких интервалов энергий ΔE_i, соответствующий Фано резонансу проводимости упомянутой квантовой точки, и воздействуют на носители зарядов в квантовой точке внешним магнитным полем, величина которого определяется на основании значения ΔE_i. Для регулирования степени спиновой фильтрации меняют угол между вектором магнитной индукции внешнего магнитного поля и центральной осью квантовой точки. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности осуществления спиновой фильтрации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к нанополупроводниковому приборостроению и может быть использовано в устройствах спиновой электроники (спинтроники) в качестве основы их функционирования в режиме спинового фильтра.

Спинтроника основана на использовании спин-зависимых явлений в нанополупроводниковых приборах, а также в устройствах хранения и обработки информации.

Одним из важных ее прикладных направлений является разработка устройств - спиновых фильтров, использующих спиновую степень свободы носителей зарядов в наноструктуре. В частности, спиновый фильтр производит отбор инжектированных в наноструктуру носителей зарядов с заданной ориентацией их спинов, что может быть использовано, например, для кодирования информации (см. обзорную статью Курсаева Ю.Г. «Спиновые явления в полупроводниках: физика и приложения». - Успехи физических наук. 2010, т. 180, с. 759).

Уровень техники в области рассматриваемых спиновых фильтров представлен крайне ограниченным количеством зарубежных патентов со сведениями об отдаленных аналогах (см., например, патент US №6642538, H01F 1/40, 2003, описывающий свойства спинового фильтра, выполненного на основе нанокристалла (объемной квантовой точки), или патент US №7180097, H01L 29/06, 2007 со сведениями о спиновом фильтре, также выполненном на основе объемной квантовой точки).

Источники публикаций и отечественные патенты со сведениями о полупроводниковых приборах, выполненных на основе спинового фильтра, а также со сведениями о ближайшем способе фильтрации (генерации спиновой поляризации носителей зарядов в двумерной квантовой точке) - прототипе заявителем не обнаружены, в связи с чем в настоящей заявке выбрана форма изложения формулы изобретения без ее разделения на ограничительную и отличительную части.

Задача предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы спиновый фильтр, функционирующий на основе использования предлагаемого способа генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке, обладал расширенными функциональными возможностями на основе обеспечения сочетания возможности регулирования степени фильтрации в зависимости от направления внешнего магнитного поля и возможности выбора наноструктурных условий фильтрации в зависимости от величины индукции, определяемой выбранным типом Фано резонанса.

Технический результат заявляемого способа в соответствии с изложенной выше задачей - повышение эффективности осуществления спиновой фильтрации за счет одновременного обеспечения регулирования степени спиновой фильтрации в результате изменения угла ориентации внешнего магнитного поля и контроля наноструктурных условий генерации спиновой поляризации носителей зарядов в двумерной квантовой точке в результате выбора типа Фано резонанса проводимости указанной квантовой точки, который обусловлен спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов или геометрией квантовой точки.

Кроме того, предлагаемый способ расширяет арсенал актуальных методов оптимизации режимов работы наноструктурных спиновых фильтров.

Для достижения указанного технического результата в способе генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке путем воздействия внешним магнитным полем на инжектируемые в открытую двумерную квантовую точку носители зарядов в режиме спиновой фильтрации измеряют проводимость указанной квантовой точки в широком интервале энергий носителей зарядов, выбирают в измеренном интервале энергий носителей зарядов один из узких интервалов энергий ΔE_i, соответствующий типу Фано резонанса проводимости упомянутой квантовой точки, обусловленного спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов или геометрией квантовой точки, и воздействуют на носители зарядов в квантовой точке внешним магнитным полем, сориентированным в плоскости квантовой точки и имеющим величину индукции B, которую определяют в зависимости от типа Фано резонанса, в соответствии со следующим соотношением

$$B=\Delta E_i/{\mu }_{B}g,\text{ (1)}$$

где ΔE_i - выбранный интервал энергий носителей зарядов в квантовой точке, представляющий собой ширину Фано резонанса, обусловленного спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов или геометрией квантовой точки;

µ_B - магнетон Бора;

g - g-фактор материала квантовой точки.

Для регулирования степени спиновой фильтрации на носители зарядов в двумерной квантовой точке воздействуют внешним магнитным полем, ориентацию которого в плоскости квантовой точки меняют путем изменения угла между вектором магнитной индукции внешнего магнитного поля и центральной осью квантовой точки, продольной по отношению к входному и выходному каналам квантовой точки.

В случае выполнения открытой двумерной квантовой точки из арсенида галлия на электроны, инжектируемые в круглую квантовую точку с радиусом 0,9 мкм и с входным и выходным каналами шириной 30 нм, расположенными вдоль центральной оси квантовой точки, возможно воздействие магнитным полем с индукцией B=1,4 Гс, которая по рассчитанной величине соответствует Фано резонансу с шириной ΔE_СОВ=3,6 нЭв, обусловленному спин-орбитальным взаимодействием электронов, и вектор которой перпендикулярен центральной оси квантовой точки.

В случае выполнения открытой двумерной квантовой точки из арсенида галлия на электроны, инжектируемые в круглую квантовую точку с радиусом 0,9 мкм и с входным и выходным каналами шириной 30 нм, расположенными вдоль центральной оси квантовой точки, возможно воздействие магнитным полем с индукцией B=4,4 Гс, которая по рассчитанной величине соответствует Фано резонансу с шириной ΔE_ГКТ=11,45 нЭв, обусловленному геометрией квантовой точки, и вектор которой перпендикулярен центральной оси квантовой точки.

Содержание известного источника информации - статьи на англ. яз. авторов J.F. Song, Y. Ochiai, J.P. Bird «Fano resonances in open quantum dots and their application as spin filters». - Applied Physics Letters. 2003, V. 82, №25, p. 4561 представляет собой теоретический анализ особенностей спиновой фильтрации с помощью прямоугольной открытой двумерной квантовой точки на основе использования Фано резонанса проводимости квантовой точки без выделения в Фано резонансах выявленных заявителем типов Фано резонансов, не противоречит изобретательскому уровню предлагаемого способа, т.к. не содержит сведений на уровне раскрытия сущности о способе генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке в условиях воздействия внешнего магнитного поля и, кроме того, указанная статья не содержит сведений об аналоге или прототипе предлагаемого способа.

На фиг. 1 показана схема осуществления предлагаемого способа с использованием круглой двумерной открытой квантовой точки, выполненной из арсенида галлия; на фиг. 2 - кривая проводимости G квантовой точки на фиг. 1 (фрагменты кривой с Фано резонансом, обусловленным спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов - на фиг. 2а и с Фано резонансом, обусловленным геометрией квантовой точки - на фиг. 2б).

Предлагаемый способ генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке осуществляют в соответствии со следующими примерами.

Пример 1

Образец с открытой двумерной квантовой точкой круглой формы радиусом R=0,9 мкм с входным 1 и выходным 2 каналами (см. фиг. 1) шириной d=30 нм готовится методом электронно-лучевой литографии по шаблону, наложенному на предварительно изготовленную методом молекулярно-лучевой эпитаксии наноструктуру на подложке, содержащую слой арсенида галлия (GaAs) толщиной 1 нм, окруженный слоями твердого раствора AlGaAs толщиной не менее 30 нм, с последующим ионным травлением.

Образец с указанной квантовой точкой размещают в соответствии со схемой на фиг. 1 во внешнем магнитном поле (в качестве источника внешнего магнитного поля может быть использована магнитная головка, близкая по геометрическим характеристикам головкам, используемым в компьютерных жестких дисках) с магнитной индукцией B=1,4 Гс, которую определяли с помощью соотношения (1), на основании выбранного Фано резонанса с шириной ΔE_СОВ=3,6 нЭв, обусловленного спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов и выявленного по ширине ΔE_СОВ на кривой проводимости указанной квантовой точки (соответствующий фрагмент указанной кривой G представлен на фиг. 2а), построенной на основе предварительных экспериментальных данных (для измерения проводимости квантовой точки может быть использована методика измерения электрического сопротивления в соответствии со статьей на англ. яз. авторов C.V. Marcus, A.J. Rimbera, R.M. Westervelt et al «Conductance fluctuations and chaotic scattering in ballistic microstructures». - Physical Review Letters. 1992, v. 69, p. 506) и вектор которой (магнитной индукции) ориентируют в плоскости квантовой точки перпендикулярно к ее центральной оси (как показано на фиг. 1), в результате чего идет процесс генерации спиновой поляризации носителей зарядов (электронов) с максимальной степенью фильтрации (изменение угла расположения вектора магнитной индукции относительно центральной оси квантовой точки обеспечивает регулирование степени фильтрации, в частности отклонение указанного вектора от 90° относительно центральной оси квантовой точки приводит к уменьшению степени фильтрации).

Степень спиновой фильтрации можно регистрировать с помощью эффекта фарадеевского вращения в соответствии с методикой измерения, изложенной в статье на англ. яз. авторов S.A. Crooker, М. Furis, X. Lou et al. «lmaging Spin Transport in Lateral Ferromagnet/Semiconductor Ctructures». - Science. 2005, v. 309, p. 2191.

Пример 2

Осуществляют аналогичным образом во внешнем магнитном поле с магнитной индукцией B=4,4 Гс, которую также определяли с помощью соотношения (1), на основании выбранного Фано резонанса с шириной ΔE_ГКТ=11,45 нЭв (см. фиг. 2б), обусловленного геометрией двумерной квантовой точки.

Обоснование выявления в обоих примерах двух типов Фано резонансов, а именно обусловленных спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов и геометрией двумерной открытой квантовой точки, содержится в статье Исуповой Г.Г. и Малышева А.И. «Резонансные особенности кондактанса открытых биллиардов со спин-орбитальным взаимодействием”. - Письма в ЖЭТФ. 2011, т. 94 (7), с. 597-600.

Генерация спиновой поляризации носителей зарядов, обеспечивающая их отбор по ориентации спина, основана на взаимодействии спинов носителей зарядов, инжектированных в открытую двумерную квантовую точку (имеющую иной физический механизм реализации спин-орбитального взаимодействия носителей зарядов в сравнении с объемной квантовой точкой) с внешним магнитным полем, послужившем основанием для вывода заявителем соотношения (1) в работе Исуповой Г.Г и Малышева А.И. «Спиновый фильтр на основе системы с квантовой точкой в присутствии спин-орбитального взаимодействия Рашбы и магнитного поля» - Труды XIX Международного симпозиума (10-14 марта 2015 г.- в пределах полугодовой льготы по новизне на дату подачи настоящей заявки) «Нанофизика и наноэлектроника». 2015, т. 2, с. 519.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает генерацию спиновой поляризации электронов, а также дырок на более эффективном контролируемом уровне, как за счет возможности регулирования степени самой спиновой фильтрации, так и контроля наноструктурных условий, задаваемых спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов или геометрией квантовой точки.

1. Способ генерации спиновой поляризации носителей зарядов в квантовой точке путем воздействия внешним магнитным полем на инжектируемые в открытую двумерную квантовую точку носители зарядов в режиме спиновой фильтрации, характеризующийся тем, что измеряют проводимость указанной квантовой точки в широком интервале энергий носителей зарядов, выбирают в измеренном интервале энергий носителей зарядов один из узких интервалов энергий ΔE_i, соответствующий типу Фано резонанса проводимости упомянутой квантовой точки, обусловленного спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов или геометрией квантовой точки, и воздействуют на носители зарядов в квантовой точке внешним магнитным полем, сориентированным в плоскости квантовой точки и имеющим величину индукции B, которую определяют в зависимости от типа Фано резонанса, в соответствии со следующим соотношением
B=ΔE_i/µ_Bg,
где ΔE_i - выбранный интервал энергий носителей зарядов в квантовой точке, представляющий собой ширину Фано резонанса, обусловленного спин-орбитальным взаимодействием носителей зарядов или геометрией квантовой точки;
µ_B - магнетон Бора;
g - g-фактор материала квантовой точки.

2. Способ генерации по п. 1, отличающийся тем, что для регулирования степени спиновой фильтрации на носители зарядов в двумерной квантовой точке воздействуют внешним магнитным полем,
ориентацию которого в плоскости квантовой точки меняют путем изменения угла между вектором магнитной индукции внешнего магнитного поля и центральной осью квантовой квантовой точки, продольной по отношению к входному и выходному каналам квантовой точки.

3. Способ генерации по п. 1, отличающийся тем, что на электроны, инжектируемые в круглую открытую двумерную квантовую точку, выполненную из арсенида галлия радиусом 0,9 мкм с входным и выходным каналами шириной 30 нм, расположенными вдоль центральной оси квантовой точки, воздействуют магнитным полем с индукцией B=1,4 Гс, которая по рассчитанной величине соответствует Фано резонансу с шириной ΔE_СОВ=3,6 нЭв, обусловленному спин-орбитальным взаимодействием электронов, и вектор которой перпендикулярен центральной оси квантовой точки.

4. Способ генерации по п. 1, отличающийся тем, что на электроны, инжектируемые в круглую открытую двумерную квантовую точку, выполненную из арсенида галлия радиусом 0,9 мкм с входным и выходным каналами шириной 30 нм, расположенными вдоль центральной оси квантовой точки, воздействуют магнитным полем с индукцией B=4,4 Гс, которая по рассчитанной величине соответствует Фано резонансу с шириной ΔE_ГКТ=11,45 нЭв, обусловленному геометрией квантовой точки, и вектор которой перпендикулярен центральной оси квантовой точки.