Semicondutores Magnéticos Diluídos - ICA - PUC-Rio

Semicondutores Magnéticos
Diluídos
Mauricio Pamplona Pires
IF - UFRJ
Resumo
• Magnetismo e spintrônica
• O que são semicondutores magnéticos?
• Fabricação
– Crescimento epitaxial
– Implantação
• Dispositivos
Corrente
Fluxo de elétrons
Elétron
massa, carga e spin
Controle da carga
Dispositivos eletrônicos convencionais ignoram o
spin do elétron.
Novos dispositivos controlariam o spin do elétron ao invés da corrente
Dipositivos mais rápidos e menor potência dissipada
•O spin pode ser manipulado mais rápido e com menos energia
•Aumento da velocidade de processamento
•Aumento da densidade dos dispositivos
O que é Magnetismo ?
“Few subjects in science are
more difficult to understand
than magnetism.”
Enciclopédia Britânica 1987
Dick Tracy – 1935
“ A nação que dominar o
magnetismo dominará o
mundo.”
X-Men Magneto
Magnetismo – Fenômeno coletivo, estável apesar de
temperaturas elevadas.
Ordem magnética:
impacto sobre propriedades dos materiais como
transporte e propriedades óticas.
De onde vem ?.....
Momento de Dipolo Magnético
Histórico
Magnetismo Básico
Nanomagnetismo
Próxima
Momento de Dipolo Magnético
Momento
Magnético Total
µT = -g µB j
g = 1 somente orbital
g = 2 somente spin
{
Magnetização
∑µ
M =
1
1 1
s = , ms = − ,
e g = 2,00232
2
2 2
V
Classificação
• Origem dos momentos magnéticos
• Tipo de interação entre os momentos
– Magnetismo Fraco
Diamagnetos
Paramagnetos
– Magnetismo Forte
Materiais Ordenados:
– Ferromagnetos
Ferrimagnetos
Antiferromagnetos
Diamagnetos
• Não possuem momento permanente
– Origem:
variação do momento orbital dos elétrons
induzida pela ação de um campo magnético
(Lei de Lenz)
– Resposta se opõe ao campo →
χ=
M
< 0(≈-10-6)
H
µ
•
•
Todo material apresenta diamagnetismo
Resulta do efeito de um campo VARIÁVEL
sobre os elétrons
Paramagnetismo
•
•
Possuem momento magnético permanente
Não há interação entre momentos
• χ>0 porém pequena (10-5 - 10-3) (tende a alinhar com o campo)
Temperatura
X
M
Campo Magnético
θ
H
H=0, M=0
H≠0
momento
dipolo magnético
Paramagnetismo
?
Ferromagnetismo
Histerese e Processos de Magnetização
Mr: remanência
MS
Magnetização
resultante quando o
campo é retirado
após saturação
Magnetização de
Saturação
M
Ferromagneto
Macio
HC: coercividade
Campo reverso que
reduz a
magnetização a zero
H
Ferromagneto
Duro
Ferromagnetismo : Campo Molecular
Hipótese de Weiss
• Cada momento de dipolo magnético sofre a ação
de um campo magnético efetivo criado pelos
vizinhos
• Campo molecular médio → Magnetização
espontânea (MS)
40
χ
30
20
10
Desordenado
Ordenado
He = λM
H tot = H a + H e = H + λ M
TC
0
10
15
20
25
30
35
T
χ=
M
H
=
C
onde TC = λC
T − Tc
Lei de
Curie-Weiss
40
45
50
55
60
•
Aplicações
Materiais magnéticos MACIOS: Fe, Permaloy
– Alta permeabilidade:
bons condutores
de fluxo magnético
– Guias de fluxo
– Blindagem
1 Gb/in2
Cabeça indutiva: leitura e gravação (1986 ~ 94)
Aplicações
Semicondutores magnéticos diluídos
GaxMn1-xAs
InxMn1-xAs
Interação entre átomos de Mn mediado por portadores
Proprieades magnéticas podem ser influenciadas pelos
mesmos fatores que modificam as propriedades elétricas
Tabela periódica dos elementos
III
IV
V
Temperatura crítica
Pouco compreendida
Tc vs. baixas densidades de portadores
Crescimento de Camadas
Epitaxiais
•
•
•
•
LPE
VPE
MBE – Molecular Beam Epitaxy
MOCVD - Metal Organic Chemical Vapour
Deposition
Reator MBE
No final dos anos de 60 foi desenvolvido também na Bell-Labs,
por Cho a técnica chamada epitaxia por feixe molecular.(Molecular
Beam Epitaxy – MBE). Este tem sido o mais sofisticado método de
crescimento.
O princípio deste crescimento reside na evaporação de fontes
sólidas altamente purificadas em alto vácuo (10-10 torr sem
crescimento e 10-8 a 10-6 torr durante o crescimento), produzindo
feixes moleculares irecionados sobre a superfície aquecida do
substrato.
Cho, A. Y. e Arthur J. R.; Molecular Beam Epitaxy, Progress in Solid State Chemistry, 10, 3, 157-191 (1975).
Reator MBE
Reator MBE
Reator MOCVD
Uma outra técnica distinta chama-se deposição química por fase
vapor (Chemical Vapour Deposition – CVD). Uma variante desta
técnica é a epitaxia por fase gasosa de organo-metálicos
(Metal Organic Vapour Phase epitaxy – MOVPE, ou Metal
Organic Chemical Vapour Deposition – MOCVD).
O princípio de crescimento do MOVPE baseia-se num fluxo
laminar sobre o substrato aquecido por rádio freqüência ou
lâmpadas infra-vermelhas. Embora o MOVPE tenha sido
desenvolvido no fianl dos anos 60, ele só apareceu como
alternativa a partir do começo da década de 80. Houve, nesta
última década, o desenvolvimento e a purificação das fontes
organometálicas para o uso no processo MOVPE.
Manasevit, H., Applied Physics Letters, 12, 156 (1968).
Reator MOCVD (PUC-Rio)
• Temperatura
• Pressão
• Gases:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
AsH3
PH3
TMGa
TMIn
TMAl,
CBr4,
DMZn,
SiH3,
(MeCp)2Mn
• Fluxos
bis(methylcyclopentadienyl)manganese
Vantagem
Desvantagem
LPE
•Simples
•Barata
•Alta taxa de crescimento
•Segura
•Baixa manutenção
•Baixa produtividade
•Baixa pureza
•Não pode crescer poços
quânticos
•Filme não uniforme
•Interfaces não abruptas
MBE
•Simples
•Uniforme
•Excelente morfologia
•Interface abrupta
•Controle in-situ
•Alta pureza
•Crescimento de nanoestruturas
•Alto custo
•Alta manutenção
•Defeitos ovais
MOVPE
•Fexível
•Interface abrupta
•Excelente morfologia
•Alta pureza
•Escalabilidade
•Segurança
•Fontes caras
•Crescimento complicado
•Crescimento de nanoestruturas
Onde ?
MOCVD
Rio de Janeiro
MBE
São Paulo
Campinas
Belo Horizonte
AlAs
GaP
GaxAl1-xAs
InxGa1-xP
GaAs
InP
InxGa1-xAs
InAs
InxAl1-xAs
Crescimento de
(III) Mn As
Condições normais de crescimento :
Incorporação < 0.1%
Segregação e separação de fase
Tc pode depender de muitos fatores...
Onde está o átomo de Mn irá ser importante na
propriedade magnética do material
Implantação de Mn em GaAs
•Marcelo Sant’Anna (Professor-UFRJ)
•Germano Penello (IC)
Laboratório de Colisões Atômicas
e Moleculares
Imã
MnO-
Acelerador de 1.7 MV NEC Tandem
Mn+
Substrato de GaAs
Feixe de 1000 íons a 0º
(200KeV)
Feixe de 1000 íons a 0º
(400KeV)
Adaptações no acelerador
Porta amostra
Espaçador para a
linha do acelerador
(bomba adicional)
Câmara para os
testes iniciais
Implantação iônica (1ª no LaCAM)
Feixe de Mn+
Braço móvel
Porta amostra
Feixe de Mn+
Medidor de Pressão
Produzindo o feixe de Mn+
•
Preparação da pastilha:
1. MnO2 + W ( 70% + 30%);
2. Prensamos essa mistura em um cadinho de
cobre;
Acelerador
Imã
MnOCadinho
Mn+
Substrato de
GaAs
Cs+
N2
Mn+
MnMn
MnO+
MnOO
...
Problemas e Modificações:
Contaminação do feixe
Antes
-
corrente de feixe (u.a.)
Cu
63
MnO-
corrente de feixe (u.a.)
65
-
Cu
0.1
65
-
Total
CuO
63
-
CuO
-
0.01
MnO
-
MnH
1E-3
0.2
0.4
Vseletor de velocidade (u.a.)
Cadinho
de cobre:
0.1
Depois
MnO2Total
0.01
Feixe
limpo !
Selecionando
o MnO por
campo magnético
1E-3
0.2
0.4
Vseletor de velocidade (u.a.)
Cadinho
de prata:
Dose:
Qual a situação hoje:?
• Na literatura as doses variam entre 1015 ~ 1017 cm-2.
5 horas para produzir uma
amostra com 1015cm-2
Que fazer com estas amostras?
GaAs
p
i
Propriedades
magnéticas?
n
Dopagem
Implantação
+
annealing
Reator MOCVD (PUC-Rio)
Muitas possibilidades:
– Crescimento epitaxial
– Camadas com espessura controlada
– Possibibidades de crescimento de nanoestruturas:
Dopagem delta
Pontos quânticos
Fios quânticos
GMR- Giant Magnetoresistive Effect (1988)
Pequenas mudanças no campo provocam grandes variações no resistência
Transição para-ferro pode ser controlada
Ohno et al, Nature (2000)
R. Fiederling et al, Nature (1999)
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