В настоящее время в микроэлектронике наблюдается приближение к фундаментальному физическому пределу по уменьшению размеров отдельных компонентов, в частности, транзисторов. В 2020 году стали доступны микропроцессоры, выполненные по технологическим нормам 5 нм. Ведутся разработки технологических процессов в 2 нм, что составляет несколько межатомных состояний для типичных материалов микроэлектроники. В ближайшие несколько лет дальнейшее уменьшение плотности компонентов в интегральной схеме станет невозможным. Быстродействие отдельных микроэлектронных компонентов также достигла предела – типичная скорость переключения транзистора остается неизменной более десятилетия.
В обозримом будущем все это приведет к тому, что развитие приборов микроэлектроники будет иметь исключительно экстенсивный характер. Для увеличения вычислительной мощности процессора или увеличения объема памяти будет необходимо только увеличивать число компонентов, что будет приводить к увеличению размеров кристаллов приборов, увеличению потребляемой и выделяемой энергии и усилению проблемы передачи сигналов между отдельными блоками интегральной схемы.
Следствием существующей ситуации является то, что дальнейшее качественное развитие микроэлектроники требует перехода к альтернативным способам функционирования приборов микроэлектроники, когда используются ранее не задействованные свойства носителей заряда и новые физические эффекты. В этой связи большую привлекательность имеет развитие методов использования не только заряда, как в традиционной электронике, но и спиновой степени свободы электрона с целью разработки электронных компонентов и интегральных схем, обладающих большей производительностью и меньшим энергопотреблением. Эти задачи решаются в рамках междисциплинарной области физики, техники и технологии, называемой спиновой электроникой или спинтроникой.
Основной задачей спинтроники является создание структур, в которых осуществляется управление током поляризованных по спину электронов. В предельном случае это позволит осуществлять в микроэлектронном устройстве перенос информации посредством спиновых токов без непосредственного переноса заряда, что принципиально уменьшит потребление энергии. Фундаментальной проблемой является создание полупроводникового материала для реализации на его основе будущих приборов спинтроники.
Такой материал должен удовлетворять ряду основных требований: иметь поляризованные по спину электроны при достаточно высоких температур (желательно выше комнатной), быть доступным для получения в достаточно большом объеме, быть совместимым с существующими полупроводниковыми технологиями. Для решения этой проблемы на протяжении уже более 20 лет активно изучаются физические свойства и технологические подходы к созданию ферромагнитных полупроводников – материалов, сочетающих в себе свойства полупроводника и ферромагнетика, что обеспечивает спиновую поляризацию носителей заряда.
Такие материалы чаще всего получают посредством введения большой концентрации атомов магнитных элементов при выращивании полупроводниковых пленок. В результате полученный слой полупроводника будет обладать ферромагнитными свойствами. Однако существенная проблема добиться того, чтобы материал был ферромагнетиком при комнатной температуре.
Авторам исследования из ННГУ под руководством старшего научного сотрудника НИФТИ, доцента физического факультета Алексея Кудрина удалось впервые получить ферромагнитный полупроводник GaAs:Fe, сохраняющий свои ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Полупроводниковый материал GaAs имеет широкое применение в электронике, в частности, используется в сверхвысокочастотных полупроводниковых приборах.
«Разработанная в НИФТИ ННГУ технология выращивания сильнолегированных полупроводниковых эпитаксиальных слоев позволила впервые реализовать слои GaAs:Fe, сохраняющие полупроводниковые свойства базового материала GaAs и обладающего высокотемпературными ферромагнитными свойствами, следовательно, поляризованными по спину электронами. Это открывает потенциальную возможность практической реализации приборов спинтроники на основе распространенного и технологичного материала», – отмечает Алексей Кудрин.
На левом рисунке представлена кристаллическая структура слоя GaAs:Fe, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа. На правом рисунке представлены зависимости магнитного циркулярного дихроизма при комнатной температуры, свидетельствующие о комбинации полупроводниковых и ферромагнитных свойств материала
