Физики НИЦ "Курчатовский институт" разработали новую стратегию получения перспективных материалов для электроники. Они создаются путем интеграции двух компонентов — кремния и функционального оксида, который формируется в виде тонкой пленки. Суть заключается в управлении границей раздела между этими двумя веществами. Предложенный подход универсален и позволит в будущем получить большое разнообразие структур с уникальными свойствами, которые будут востребованы для создания энергоэффективных устройств. Результаты работы, поддержанной Российским научным фондом (РНФ), опубликованы в высокорейтинговом журнале Advanced Functional Materials.
До недавнего времени последовательное улучшение характеристик приборов микроэлектроники достигалось, в первую очередь, путем уменьшения линейных размеров логики и памяти. Однако миниатюризация элементов микросхем ведет к тому, что в силу различных фундаментальных физических ограничений престают работать принципы, положенные в основу действия устройств на основе кремния. В настоящее время вектор развития электроники направлен в сторону уменьшения потребляемой мощности и тепловыделения. Спинтроника, или спиновая электроника — активно развивающаяся область науки двух последних десятилетий — может предложить решение этой проблемы. Замена заряда электрона на его спин в качестве носителя информации в элементах спинтроники позволяет значительно уменьшить мощности приборов.
Современная электроника основана на кремниевой платформе. Однако этот элемент немагнитен: спин-поляризованные электроны отсутствуют в чисто кремниевых структурах. Инжекция спинов из ферромагнитного материала, интегрированного с кремнием, позволяет преодолеть это ограничение.
"Сегодня для создания компактных устройств с низким потреблением энергии необходимы новые материалы. Они, с одной стороны, должны задействовать существующую кремниевую технологическую платформу, а с другой — обладать свойствами, которые у кремния отсутствуют. Функциональные оксиды, ввиду многообразия и уникальности их свойств, представляют собой целый класс материалов, перспективный для интеграции с кремнием, — рассказывает руководитель проекта профессор Вячеслав Сторчак, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией новых элементов наноэлектроники Курчатовского института. — В данной работе особое внимание уделено созданию спинового контакта оксида европия — ферромагнитного полупроводника — и кремния. Такая структура позволяет осуществить прямую инжекцию спин-поляризованных электронов в кремний, поэтому она востребована для разработки новых устройств спинтроники".
В работе показано, что интеграция оксидов европия и стронция осуществляется через один и тот же универсальный интерфейс. Так ученые называют двумерную структуру, которая формируется на границе между кремниевой основой и функциональным оксидом и связывает их в единую систему. Специалисты подробно изучили строение и функциональные особенности интерфейса, поскольку он имеет ключевое значение в процессе интеграции двух компонентов. Теперь на основе этих данных можно создать множество новых структур для разнообразных приложений, которые будут зависеть от типа выбранного функционального оксида.
Ученые отмечают, что оксид европия — наиболее подходящий кандидат для инжекции спин-поляризованных электронов в кремний, так как он имеет ряд уникальных свойств: простую структуру, стабильность при контакте с кремнием, 100% спиновую поляризацию.
Существовавшие ранее представления основывались на сохранении различных (заданных изначально) интерфейсов оксид/кремний в процессе синтеза. В работе показано, что это не так. Новизна полученного результата состоит в установлении связи между структурой интерфейса и оксидной системой. Поскольку интерфейс в таком подходе оказывается универсальным, это накладывает существенные ограничения на возможность управления свойствами структуры оксид/кремний.
"Однако, — продолжает Вячеслав Сторчак — мы вполне согласны с высказыванием Эйнштейна: "Господь изощрен, но не злонамерен", которое высечено на камине в Принстонском университете. Это стимулирует нас искать новые подходы для преодоления указанных ограничений. В частности, мы предлагаем отойти от существующих методов, доминирующих в исследованиях в области интеграции функциональных оксидов с кремниевой платформой вот уже более 25 лет. В нашем нынешнем подходе, а именно отказе от пассивации поверхности кремния атомами металла, заложены основы нового направления — управления интерфейсом для создания функциональных гетероструктур. Дальнейшее его развитие предполагает расширение набора интегрируемых материалов, а также технологических платформ. В частности, ожидается прямая интеграция функциональных материалов с существующими промышленными полупроводниками, такими как германий, арсенид и нитрид галлия".
