Демонстрация инжекции спин-поляризованного тока в кремний и – далее – в светодиод из GaAs.

На протяжении нескольких десятков лет фундаментом информационных технологий служила полупроводниковая электроника, основанная на операциях с электрическими зарядами электронов. Но улучшать характеристики полупроводниковых интегральных схем с каждым годом становится все труднее и труднее.

«Зарядовая электроника» почти исчерпала свои ресурсы. Одной из возможных альтернатив является «спиновая электроника» – спинтроника, в которой функции зарядов выполняют электронные спины. Существенный прогресс достигнут в экспериментах со спиновым током в полупроводнике GaAs [X.Lou et al., Nature Phys. 3, 197 (2007)]. Но для широкомасштабного коммерческого использования идей спинтроники требуется гораздо более технологичный материал, в идеале – все тот же кремний.
Задача инжекции спин-поляризованного тока из ферромагнитного электрода в полупроводник кажется простой лишь на первый взгляд. Она осложняется сильным различием электрических проводимостей полупроводника и ферромагнитного металла, из-за чего приложенное к контакту напряжение падает в полупроводнике почти до нуля. Выход состоит в использовании туннельного барьера, сопротивление которого велико и зависит от направления спина электрона. Это относится ко всем полупроводникам.
Что касается собственно кремния, то с ним связана и еще одна проблема, обусловленная спецификой его электронной зонной структуры, а именно – непрямыми межзонными переходами носителей. Это (в отличие от GaAs) препятствует непосредственному количественному анализу поляризации электронных спинов путем измерения поляризации света, испускаемого при излучательной рекомбинации инжектированных в кремний электронов с дырками.
Первое убедительное экспериментальное доказательство возможности инжекции спинов из ферромагнетика в кремний было получено лишь недавно [I.Appelbaum et al., Nature 447, 2995 (2007)]. Однако спин-поляризованный ток при этом оказался очень небольшим из-за сложной конструкции использованной в [I.Appelbaum et al., Nature 447, 2995 (2007)] многослойной структуры. В работе [B.T.Jonker et al., Nature Phys. 3, 542 (2007)] сотрудникам Naval Research Laboratory (США) удалось добиться как минимум 10-процентного различия между силами токов, создаваемых электронами с разной ориентацией спинов при их туннелировании в кремний из контакта Fe через барьер Al2O3. Более того, вырастив структуру Fe/Al2O3/Si на светодиоде GaAs, авторы [B.T.Jonker et al., Nature Phys. 3, 542] показали, что спины остаются поляризованными и после прохождения границы Si/GaAs (см. рис.), причем вплоть до T = 125 К.
В дальнейшем, изменяя толщину слоя Si, можно будет определить характерную длину, на которой сохраняется спиновая поляризация. Разработанная в [B.T.Jonker et al., Nature Phys. 3, 542] методика инжекции спинов в кремний позволяет вплотную приступить к конструированию новых кремниевых спин-электронных устройств, например, спиновых полевых транзисторов, в которых проводимость определяется относительной намагниченностью ферромагнитных контактов/