Красноярские физики обнаружили, что электрическое сопротивление под действием магнитного поля в полупроводниковых структурах зависит от наличия примесей в кремниевых подложках. Ученые продемонстрировали, как добавки дополнительных примесей могут повысить эффективность и температурные условия проявления эффекта. Результаты исследования опубликованы в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.

В современной микроэлектронике широко используются устройства, изготовленные по кремниевым технологиям. В частности, многие полевые транзисторы, солнечные элементы и фотодетекторы сделаны в виде многослойных структур из металла, диэлектрика и полупроводника. Для таких композитных материалов характерно высокое магнитосопротивление — изменение электрического сопротивления под действием магнитного поля, которое расширяет функциональность полупроводниковых устройств.

Красноярские ученые определили, что проявление магнитосопротивления в структурах, состоящих из металла, диэлектрика и полупроводника, зависит от включенных в полупроводник примесей. Исследователи также научились искусственно создавать этот эффект при повышенных температурах, добавляя другие примеси в полупроводник, а также управлять им при помощи магнитного и электрического поля.

Ранее ученые фиксировали магнитосопротивление в полупроводниковых структурах. Но не знали, что его вызывает. Начав подробнее изучать подложки, входящие в эти структуры, они определили, что эффект проявлялся в виде скачкообразного увеличения электрического сопротивления материала при низкой температуре под действием магнитного поля. В новом исследовании физики рассмотрели образец кремния, в котором к стандартной примеси бора они добавили примесь галлия. В таком материале появился дополнительный «скачок» сопротивления при более высоких температурах.

«Мы уже давно исследуем магнитосопротивление в полупроводниках с примесями. Ранее мы обнаружили возникновение магнитосопротивления но его природа была нам не совсем ясна. Изучая структуры металл-диэлектрик-полупроводник, мы пришли к выводу, что сопротивление возникает из-за примеси в кремниевой подложке. Галлий, имплантированный в полупроводник, проявил себя наравне со стандартными примесями, которые уже были в подложке. Наши исследования показывают, что физические свойства не только привычной примеси бора, но и имплантированной примеси галлия зависят от магнитного поля, что и вызывает магнитосопротивление», — рассказал Антон Тарасов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией радиоспектроскопии и спиновой электроники Института физики им Л.В. Киренского.

Кроме того, физики обнаружили, что включение магнитного поля, параллельного плоскости образца, позволяет управлять эффектом. В этом случае он проявляется при более высоких температурах. К тому же, вторая примесь в подложке увеличивала магнитосопротивление до максимально возможного значения. Как отмечают ученые, возможность «настраивать» эффект важна для перспектив его применения.

«Появление второго пика показывает, что галлий, который мы добавили, работает аналогично изначальной примеси в кремниевой подложке. В этом и заключалось наше предположение, что различные примеси будут иметь свой пик сопротивления, зависящий от магнитного поля. В дальнейшем мы хотим использовать другие примеси или полупроводники и попробовать добиться эффекта при комнатной температуре. На данный момент он проявляется только при температурах ниже -200 градусов Цельсия», — пояснил Дмитрий Смоляков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории радиоспектроскопии и спиновой электроники Института физики им Л.В. Киренского.

Ученые отмечают, что эффект магнитосопротивления и обнаруженные эффекты можно применять при разработке и изготовлении электронных устройств, к примеру, датчиков и сенсоров магнитного поля, подобные устройства находятся в жестком диске памяти компьютера и в мобильных телефонах.

Исследование проведено при финансовой поддержке Мегагранта Правительства РФ на создание лабораторий мирового уровня (№ 075-15-2019-1886).

Имплантирование выполнено в Научно-исследовательском физико-техническом институте (НИФТИ) Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.