Американские ученые создали светоизлучающий транзистор, интенсивностью люминесценции которого можно управлять с помощью магнитного поля.

Современная микро- и наноэлектроника все большее внимание уделяет манипуляциям со спином электрона. Очередной шаг в направлении создания "спинтронных" устройств сделан в совместной работе ученых из Гарвардского и Калифорнийского (Санта Барбара) университетов, создавших люминесцентный спин-клапанный транзистор (spin-valve transistor). Такой транзистор модулирует интенсивность испускаемого излучения в ближнем ИК-диапазоне в зависимости от приложенного магнитного поля. Чувствительность к магнитному полю (существенное изменение оптического сигнала при изменении поля в десятки Гс) и относительно малый размер (900 x 900 мкм²) делают спин-клапанный транзистор перспективным для дистанционного детектирования и визуализации магнитных полей, а также для магнитных запоминающих устройств с оптическим выводом данных.

Спин-клапанный транзистор состоит из трех частей (рис. 1), интегрированных посредством продуманного и искусно выполненного процесса наносборки. Коллектор представляет собой p-i-n переход, выращенный методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке из GaAs. Уровень легирования нижнего слоя AlGaAs примесями p-типа на порядок выше, чем верхнего слоя AlGaAs примесями n-типа, тем самым в структуре создавался избыток дырок. Донорная примесь вводились в структуру для увеличения времени жизни приходящих электронов, чтобы усилить эффективность их оптической рекомбинации с дырками в центре перехода (слой GaAs толщиной 10 нм), а, следовательно, и интенсивность люминесценции. База включает в себя два магнитных слоя NiFe и Co толщиной 5 нм каждый, осажденных методом высокотемпературного вакуумного напыления, и образует Шоттки- контакт с коллектором. Эмиттер (слой алюминия толщиной 6 нм) осажден поверх непроводящего слоя Al₂O3 (100 нм), отделяющего его от базы. Обработка с помощью фотолитографии, травления и пр. позволяет объединить все три части транзистора и подвести к ним электрические контакты.

Когда напряжение смещения между эмиттером и коллектором достигает определенной величины, должен начинать идти электронный ток от эмиттера к коллектору, и в коллекторе (конкретно - в квантовой яме (QW) GaAs) должна происходить рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся испусканием фотонов. Принцип действия спин-клапанного транзистора заключается в манипуляции с током электронов при пересечении двух ферромагнитных слоев. Как показали измерения, при приложении внешнего магнитного поля H = - 200 Гс векторы намагничивания слоев NiFe и Co выстраиваются параллельно. Спины электронов, испущенных эмиттером, поляризуются, проходя через слой Co. Так как слой NiFe намагничен в том же самом направлении, то спин-поляризованные электроны будут поступать в коллектор, не рассеиваясь (управление спиновой поляризацией в полупроводниковых структурах вообще одна из основных задач, решение которых необходимо для создания спинтронных устройств, см., например, нашу новость). Ситуация здесь аналогична случаю, когда свет проходит через поляризатор и анализатор, оси которых параллельны.

Если изменить магнитное поле до значения H = 30 Гс (промежуточного между коэрцитивными силами двух слоев), то вследствие остаточной индукции векторы намагничивания NiFe и Co будут антипараллельными, что приведет к ослаблению электронного тока. Это и наблюдалось в эксперименте, и проявлялось, в частности, в уменьшении интенсивности люминесценции в три раза (рис. 2).

Реализованное устройство совмещает в себе функции более ранних версий спин-клапанных транзисторов с оптическим выводом, позволяющим получать сигнал, выходящий из криостата (при 77 К) в среду с комнатной температурой. Следующий этап работ, намечаемых учеными, - увеличение эффективности люминесценции.

Источник информации - заметка А.Бычкова в бюллетене ПерсТ, выпуск 24 за 2003 г.