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Arseniuro de galio y manganeso

Arseniuro de galio y manganeso , fórmula química (Ga,Mn)As es un semiconductor magnético . Se basa en el segundo semiconductor más utilizado en el mundo , el arseniuro de galio (fórmula química GaAs ), y es fácilmente compatible con las tecnologías de semiconductores existentes . A diferencia de otros semiconductores magnéticos diluidos , como la mayoría de los basados ​​en semiconductores II-VI , no es paramagnético [1] sino ferromagnético y, por tanto, muestra un comportamiento de magnetización histerética . Este efecto de memoria es importante para la creación de dispositivos persistentes. En (Ga,Mn)As , los átomos de manganeso proporcionan un momento magnético y cada uno también actúa como aceptor , lo que lo convierte en un material de tipo p . La presencia de portadores permite que el material se utilice para corrientes polarizadas por espín . Por el contrario, muchos otros semiconductores magnéticos ferromagnéticos son fuertemente aislantes [2] [3] y, por tanto, no poseen portadores libres . (Ga,Mn)As es, por tanto, un material candidato para dispositivos espintrónicos , pero es probable que siga siendo sólo un banco de pruebas para la investigación básica, ya que su temperatura Curie sólo podría elevarse hasta aproximadamente 200 K.

Crecimiento

Al igual que otros semiconductores magnéticos, [4] (Ga,Mn)As se forma dopando un semiconductor estándar con elementos magnéticos. Esto se hace utilizando la técnica de crecimiento epitaxia de haz molecular , mediante la cual las estructuras cristalinas se pueden hacer crecer con precisión de capa de átomos. En (Ga,Mn)As el manganeso sustituye los sitios de galio en el cristal de GaAs y proporciona un momento magnético. Debido a que el manganeso tiene una baja solubilidad en GaAs , incorporar una concentración suficientemente alta para lograr ferromagnetismo resulta un desafío. En el crecimiento de epitaxia por haz molecular estándar, para garantizar que se obtenga una buena calidad estructural, la temperatura a la que se calienta el sustrato, conocida como temperatura de crecimiento, normalmente es alta, normalmente ~600 °C. Sin embargo, si se utiliza un gran flujo de manganeso en estas condiciones, en lugar de incorporarse, se produce una segregación donde el manganeso se acumula en la superficie y forma complejos con átomos de arsénico elemental. [5] Este problema se superó utilizando la técnica de epitaxia de haz molecular de baja temperatura. Se descubrió, primero en (In,Mn)As [6] y luego utilizado para (Ga,Mn)As , [7] que mediante la utilización de técnicas de crecimiento de cristales en desequilibrio se podían incorporar con éxito mayores concentraciones de dopantes . A temperaturas más bajas, alrededor de 250 °C, no hay suficiente energía térmica para que se produzca la segregación superficial, pero aún es suficiente para que se forme una aleación monocristalina de buena calidad. [8]

Además de la incorporación sustitutiva de manganeso, la epitaxia del haz molecular a baja temperatura también provoca la inclusión de otras impurezas. Las otras dos impurezas comunes son el manganeso intersticial [9] y los antisitos de arsénico. [10] El primero es donde el átomo de manganeso se encuentra entre los otros átomos en la estructura reticular de la mezcla de zinc y el segundo es donde un átomo de arsénico ocupa un sitio de galio. Ambas impurezas actúan como dobles donadores, eliminando los agujeros proporcionados por el manganeso sustitucional, y como tales se les conoce como defectos compensadores. El manganeso intersticial también se une de forma antiferromagnética al manganeso sustitucional, eliminando el momento magnético. Ambos defectos son perjudiciales para las propiedades ferromagnéticas del (Ga,Mn)As y, por tanto, no son deseados. [11]

La temperatura por debajo de la cual se produce la transición del paramagnetismo al ferromagnetismo se conoce como temperatura de Curie , T C . Las predicciones teóricas basadas en el modelo Zener sugieren que la temperatura de Curie aumenta con la cantidad de manganeso, por lo que es posible una T C superior a 300 K si se pueden alcanzar niveles de dopaje de manganeso de hasta el 10 %. [12] Después de su descubrimiento por Ohno et al. , [7] las temperaturas Curie más altas reportadas en (Ga,Mn)As aumentaron de 60K a 110K. [8] Sin embargo, a pesar de las predicciones del ferromagnetismo a temperatura ambiente , no se realizaron mejoras en la T C durante varios años.

Como resultado de esta falta de progreso, se comenzaron a hacer predicciones de que 110 K era un límite fundamental para (Ga,Mn)As . La naturaleza autocompensante de los defectos limitaría las posibles concentraciones de agujeros , evitando mayores ganancias en T C . [13] El mayor avance provino de mejoras en el recocido post-crecimiento. Al utilizar temperaturas de recocido comparables a la temperatura de crecimiento, fue posible superar la barrera de 110 K. [14] [15] [16] Estas mejoras se han atribuido a la eliminación del manganeso intersticial altamente móvil. [17]

Actualmente, los valores más altos informados de T C en (Ga, Mn) As son alrededor de 173 K, [18] [19] todavía muy por debajo de la temperatura ambiente tan buscada. Como resultado, las mediciones en este material deben realizarse a temperaturas criogénicas, lo que actualmente excluye cualquier aplicación fuera del laboratorio. Naturalmente, se están dedicando esfuerzos considerables a la búsqueda de semiconductores magnéticos alternativos que no compartan esta limitación. [20] [21] [22] [23] [24] Además de esto, a medida que las técnicas y equipos de epitaxia de haz molecular se refinan y mejoran, se espera que un mayor control sobre las condiciones de crecimiento permitirá mayores avances en la temperatura de Curie de (Ga,Mn)Como .

Propiedades

Independientemente de que aún no se haya logrado el ferromagnetismo a temperatura ambiente , los materiales semiconductores magnéticos como el (Ga,Mn)As han demostrado un éxito considerable. Gracias a la rica interacción de la física inherente a los semiconductores magnéticos, se han demostrado una variedad de fenómenos y estructuras de dispositivos novedosos. Por lo tanto, resulta instructivo hacer un examen crítico de estos principales acontecimientos.

Un resultado clave en la tecnología de semiconductores magnéticos es el ferromagnetismo controlable , donde se utiliza un campo eléctrico para controlar las propiedades ferromagnéticas. Esto fue logrado por Ohno et al. [25] utilizando un transistor de efecto de campo de puerta aislante con (In,Mn)As como canal magnético. Las propiedades magnéticas se dedujeron de las mediciones Hall del canal dependientes de la magnetización. Usando la acción de la compuerta para agotar o acumular agujeros en el canal, fue posible cambiar la característica de la respuesta Hall para que fuera la de un paraimán o un ferroimán . Cuando la temperatura de la muestra estaba cerca de su T C, era posible activar o desactivar el ferromagnetismo aplicando un voltaje de puerta que podía cambiar el T C en ±1 K.

Se utilizó un dispositivo de transistor (In,Mn)As similar para proporcionar más ejemplos de ferromagnetismo controlable . [26] En este experimento, el campo eléctrico se utilizó para modificar el campo coercitivo en el que se produce la inversión de la magnetización. Como resultado de la dependencia de la histéresis magnética de la polarización de la puerta, el campo eléctrico podría usarse para ayudar a invertir la magnetización o incluso desmagnetizar el material ferromagnético . La combinación de la funcionalidad magnética y electrónica demostrada por este experimento es uno de los objetivos de la espintrónica y se puede esperar que tenga un gran impacto tecnológico.

Otra funcionalidad espintrónica importante que se ha demostrado en semiconductores magnéticos es la de inyección de espín . Aquí es donde la alta polarización de espín inherente a estos materiales magnéticos se utiliza para transferir portadores polarizados de espín a un material no magnético. [27] En este ejemplo, se utilizó una heteroestructura completamente epitaxial donde se inyectaron agujeros polarizados por espín desde una capa de (Ga,Mn)As a un pozo cuántico de (In,Ga)As donde se combinan con electrones no polarizados de un sustrato de tipo n . . En la electroluminiscencia resultante se midió una polarización del 8% . Esto vuelve a ser de potencial interés tecnológico, ya que muestra la posibilidad de que los estados de espín en semiconductores no magnéticos puedan manipularse sin la aplicación de un campo magnético.

(Ga,Mn)As ofrece un material excelente para estudiar la mecánica de paredes de dominio porque los dominios pueden tener un tamaño del orden de 100 μm. [28] Se han realizado varios estudios en los que se utilizan constricciones laterales definidas litográficamente [29] u otros puntos de fijación [30] para manipular las paredes del dominio . Estos experimentos son cruciales para comprender la nucleación y propagación de las paredes de dominio , lo que sería necesario para la creación de circuitos lógicos complejos basados ​​en la mecánica de las paredes de dominio . [31] Muchas propiedades de las paredes de dominio aún no se comprenden completamente y una cuestión particularmente pendiente es la magnitud y el tamaño de la resistencia asociada con la corriente que pasa a través de las paredes de dominio . Se han informado valores tanto positivos [32] como negativos [33] de resistencia de la pared del dominio , lo que deja esta área abierta para futuras investigaciones.

Se proporciona como referencia un ejemplo de un dispositivo simple que utiliza paredes de dominio fijadas. [34] Este experimento consistió en una isla estrecha definida litográficamente conectada a los cables mediante un par de nanoconstricciones. Mientras el dispositivo funcionaba en un régimen difusivo, las constricciones fijarían las paredes del dominio , lo que daría como resultado una señal de magnetorresistencia gigante . Cuando el dispositivo funciona en régimen de túnel, se observa otro efecto de magnetorresistencia , que se analiza a continuación.

Otra propiedad de las paredes de dominio es la del movimiento de pared de dominio inducido por la corriente . Se cree que esta inversión se produce como resultado del par de transferencia de espín ejercido por una corriente polarizada de espín . [35] Se demostró en la referencia [36] utilizando un dispositivo lateral (Ga,Mn)As que contiene tres regiones que habían sido modeladas para tener diferentes campos coercitivos, lo que permite la fácil formación de una pared de dominio . La región central fue diseñada para tener la coercitividad más baja, de modo que la aplicación de pulsos de corriente pudiera provocar que se cambiara la orientación de la magnetización. Este experimento demostró que la corriente requerida para lograr esta inversión en (Ga,Mn)As era dos órdenes de magnitud menor que la de los sistemas metálicos. También se ha demostrado que la inversión de la magnetización inducida por la corriente puede ocurrir a través de una unión de túnel vertical (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As . [37]

Otro efecto espintrónico novedoso , que se observó por primera vez en dispositivos de túnel basados ​​en (Ga,Mn)As , es la magnetorresistencia anisotrópica de túnel. Este efecto surge de la intrincada dependencia de la densidad de estados de túnel sobre la magnetización, y puede resultar en una magnetorresistencia de varios órdenes de magnitud. Esto se demostró primero en estructuras de túneles verticales [34] [38] y luego en dispositivos laterales. [39] Esto ha establecido la magnetorresistencia anisotrópica de túneles como una propiedad genérica de las estructuras de túneles ferromagnéticos. De manera similar, la dependencia de la energía de carga de un solo electrón de la magnetización ha resultado en la observación de otro espectacular efecto de magnetorresistencia en un dispositivo (Ga,Mn)As , la llamada magnetorresistencia anisotrópica de bloqueo de Coulomb .

Referencias

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