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Composants Spintroniques à base de Silicium
Ahmad Ahmad BSIESY
SPINTEC et Université J. Fourier
I- Introduction : Spintronique
II – Spintronique dans les Semiconducteurs
III- Injection de spins dans le Silicium
IV- Conclusion
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I - Introduction : Spintronique
Electron possède une charge et un spin e-
Couplage d’échange :
4s+4s-
3d+
3d-EF
D(E)
E
Energie d’échange = jij,i S.SA2rr
−
Splitting de bandes spin et spin
Conséquences :
-Magnétisme (de bandes)
-Diffusion dépendant de spin
-Courant polarisé en spin
Moment Magnétique
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NM (Cu : 2nm)
FM piégée: Co (3nm)/NiO(27,5nm)
FM libre : NiFe (7nm)
I
M
H Hc -Hc
Piégéelibre
Structure Vanne de spin : G.M.R.
« Cycle Mineur »
Seule l’aimantation
de la couche libre est retournée
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Application : GMRTêtes de Lecture : enregistrement magnétique à haute densité
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Magnétorésistance Tunnel : T.M.R. > G.M.R.
(a)
M M
(b)
M M
F.M.1 F.M.2Isolant(1,5nm)
EF
T.M.R. : ∆R/R ~ 40%
• Deux canaux de courant tunnel : spin et spin à EF:
↓IpourIdem)(.)( 21 FF EDEDI ↑↑↑ ∝
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Schéma de principe d’une MRAM :
Ligne conductrice inférieure
"1"
"0"
Elements de mémoire
Ligne conductrice supérieure
Diode(jonction pnSi ou GaAs)
PtMn
Al2O3
Caractéristiques :
• Non-volatiles
• Temps d’Écriture et de Lecture très courts : ~ 10-9 s
• Insensible aux radiations
• Pas de fatigue : grand nombre de cycles R/W.
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Injection de spins dans le Silicium : vers un composant spintronique silicium
I- Introduction : Spintronique
II – Spintronique dans les Semiconducteurs
III- Injection de spins dans le Silicium
IV- Conclusion
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II – Spintronique dans les Semiconducteurs
Intérêts :
-Longueur de cohérence de spin plus élevée /aux métaux (qq µm dans SC).
- Possibilité de « manipulation » de spins
-Transformer signal magnétique (polarisation de spin) en signal optique (lumière polarisée) : SPINLED.
-Donc : Un seul composant semiconducteur pourrait combiner :
- détection d’information (stockée dans une MRAM par exemple )
- traitement de cette information (manipulation de spins)
- transmission (information magnétique vers optique) : SPINLED
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Transistor à rotation de spin - SPINFETS.Datta and B.Das, Appl.Phys.Lett., 56, p.665 (1990)
Dans 2DEG : (dissymétrie du potentiel électrique)
Couplage spin-orbite de type RASHBA : )kk( zxxz σ−ση=H
B
xz
kB µη=Champ magnétique effectif vu par
les électrons : dû à Ey
yx
z
Transport Balistique : kz=0 xzkησ=H
Levée de dégénérescence : E(+z) = + ηkx et E(-z) = - ηkx(deux polarisations de spin +z et –z)
Précession du spin Induite par Ey
SourceF.M.1
VG
DrainF.M.1
2DEG
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Deux électrons avec kx1 et kx2 :
1x*2
1x2 km2/k)z(E η−=+ h 2x
*22x
2 km2/k)z(E η+=− h
Déphasage introduit par effet Rashba :
T)basseà(2DEG0,6µmL(l.p.m.)pourπ∆θηL/2m)Lk(k∆θ 2*
x2x1
====>=−= h
Analogies : Transistor mésoscopique, Modulateur électro-optique
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Effet Rashba : VG contrôle l’angle de rotation de spins
ID modulé par VG
SourceF.M.1
VG
DrainF.M.1
2DEG
ID
VGS
VG1 VG2
Drain sélectif en spin
Diminution de ID entre VG1 et VG2 car
Applications :
-SPINFET- Mémoires
- Circuits Reprogrammables
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Injection à partir d’un Métal ferromagnétique : NiFe, Co,…
Ferromagnétique à T>Tamb, simple à déposer (PVD)Réalisation d’un SPINFET ?
Plusieurs Tentatives mais sans succès :(Exemple : NiFe sur un HEMT InAs/AlSb par W.Lee, J. Appl. Phys., 85, 6682 (1999) )
0,2%R∆R
≈ !
Dispositif Spintronique à Semiconducteur : 2 conditions à réaliser
- Durée de vie de spin élevée : OK dans 2DEG (HEMT)
- Injection efficace de spins dans un canal d’un HEMT
Injection de spin à partir d’un Métal Ferro ?
Verrou Technologique
VerrouFondamental
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Réactivités chimiques à l’interface MF/Semiconducteur
GaAs
FeFe3Ga2-xAsx
« Couche morte » magnétiquement
Diminution de la polarisationà l’interface MF/SC
Diminution de l’efficacitéde l’injection de spin
dans AsGa
Contact Schottky avec Fe épitaxié :Pas de « couche morte » mais problème pour injecter des électrons de FM vers S.C.
Seule Possibilité : Schottky en inverse
Relaxation de spins ?
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Injection de spins : Equilibre entre Injection, accumulation et relaxation de spins
Cu
Zone d’accumution
Co
Nombre de spin-flip/s α 1/r
Avec r = ρ lsf
Or : rFM << rSC
Nécessité d’introduire une Résistance d’interface
Pour garder la polarisation
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Injection de spins POSSIBLE si à travers une barrière tunnel
AlOx
F.M. p-GaAssubstrate
AlGaAs
p-AlGaAsGaAs
GaAs
Fe
Al2O3(2.5nm)
SPINLED
mJ=1/2 mJ=-1/2
mJ=-3/2mJ=-1/2
3 3
mJ=1/2mJ=3/2
J=1/2
1
1m1J
±=∆=∆ Règles de Sélection
H.H. H.H.L.H. L.H.
Polarisation= 24 % à 80 °K
(12 % à Tamb)
V.F.Motsnyi et al. Appl.Phys.Lett.81, 265 (2002)
Degré de polarisationoptique :
)n(3n)n(3n)n(3n)n(3nPopt ↑↓↓↑
↑↓↓↑
+++
+−+=
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Injection de spins dans le Silicium : vers un composant spintronique silicium
I- Introduction : Spintronique
II – Spintronique dans les Semiconducteurs
III- Injection de spins dans le Silicium
IV- Conclusion
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III- Injection de spins dans le Silicium
Silicium : Faible couplage Spin-Orbite
Inconvenient : effet Rashba : Très Faible
Avantage : Temps de cohérence de spin Plus élevé
10-10-10-11s10-8 sIII-VSi
D. Lépine, PRB (1970)
Longueur de cohérence >> micromètre
à T ambiante.
Composant Spintronique réalisable avec Technologie Silicium « standard »
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MEmoire Magnétique Intégrée sur Silicium
(MEMIS)
Projet RMNT (2004-2005)
•CRMCN (Marseille)•CEA-LETI•L2MP (Marseille)•ST (Rousset)
•SPINTEC
•SPINTRON- start-up (Aix-en Provence)
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Objectif Technologique :
Développer une nouvelle cellule mémoire non-volatile, alternative aux FLASH.
Intégrer le Matériau ferromagnétique dans le process CMOS
Performances vs. MRAM : Comparables (write/read time) MAIS Bas Coût
MEMISMRAM
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Principe Physique :
Injection et Collection des électrons polarisés en spin dans le silicium.
Injecteur Collecteur
Silicium
Courant
Injecteur et Collecteur : Diodes MIS tunnel à grille Ferro.
Canal de propagation cohérente des spins.
Ecriture : Renversement de l ’aimantation de l ’injecteur par un « pulse » de courant.
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Empilement Technologique :
Ohmic ContactOhmic Contact
2 µm
2 µm
1 µm
P
N+P+ N
Injector Collector
F.M. SiO2
SiDiode MIS
SiTi/TiNW
Contact Ohmique
Brevet CNRS no. 02 16844 (2002)
Bilan : ~ 50 étapes Technologiques
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Deux Verrous
Technologique : -Intégration d ’un F.M. avec Techno CMOS ?
Fondamental : -Injection efficace de spin ?
Travail année 1 du projet :
Diélect.Co
Pt
Si
Brique de test:Diélectrique : SiO2 ou Al2O3(Réactivité avec le F.M.)
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Caractérisations magnétiques- Couches mortes ?
Si
SiO2
CoPt
Epaisseur Co : de 20 à 55A;Ms vs. Epaisseur de Co;Intersection à l’origine ⇒ couche morte ?
Une mono-couche « morte » : Dépolarisation limitée àl’interface Co/diélectrique
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600,0
2,0x10-5
4,0x10-5
6,0x10-5
8,0x10-5
1,0x10-4
1,2x10-4
1,4x10-4
1,6x10-4
1,8x10-4
2,0x10-4
Ms
(em
u)
e (Å)
Al2O3450°C (30 min)
Without annealing
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600,0
2,0x10-5
4,0x10-5
6,0x10-5
8,0x10-5
1,0x10-4
1,2x10-4
1,4x10-4
1,6x10-4
1,8x10-4
2,0x10-4
Ms
(em
u)
e (Å)
SiO2
450°C (30 min)
Without annealing
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Caractérisations Electriques ?
Co, NiFe,…Diélect.
Pt
Si
Diode MIS pleine plaque
Compatibilité ferromagnétique /SiMécanisme d’injection : Tunnel
direct (spin-conservatif)?
-3 -2 -1 0 1 2
0,0000
0,0025
0,0050
0,0075
0,0100
0,0125
0,0150
0,0175
0,0200
C(F
/m2 )
V (Volt)
1 kHz 10 kHz 50 kHz 100 kHz 500 kHz 1000 kHz
S = 50*50 µm2
Dépôt (cinétique élevée) du NiFe sur SiO2 (2,5nm) par PVD :
C(V) : Forte dispersion en fréquence
Modélisée par Nss élevée (qq 1013cm-2).
Dépôt PVD « agressif » ?
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Dépôt PVD plus « doux » : ~ 1 Å/s NiFe/SiO2(2.5 nm)
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0
0,00E+000
5,00E-012
1,00E-011
1,50E-011
2,00E-011
2,50E-011
3,00E-011
1 kHz 10 kHz 100 kHz 500 kHz
C (
F)
V (Volt)
Recuit N2/H2
Extraction des paramètres :
Eox = 2,75 nm
Nss ≈ qq.1012 cm-2
Eox = 2,7 nm
Nss ≈ 1.1O12 cm-2
Vfb = - 0,46 V
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0
0,00E+000
5,00E-012
1,00E-011
1,50E-011
2,00E-011
2,50E-011
3,00E-011
1 kHz 10 kHz 50 kHz 100 kHz 500 kHzC
(F)
V (V)
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Problème : Caractéristique I(V)
Forte composante non-tunnel Alors que C(V) est OK ?
« Pin-holes » dans le Diélectrique ?
-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,01E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
10
100
S=100x100µm2
Tamb 100 K
J en
A/m
2
V en Volt
NiFe/SiO2(2,5nm)
PtCo, NiFe,…
Diélect.
Si
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Caractéristique Électriques sur dispositif « mémoire » :
Diode MIS p
pn+p+ n
Diode MIS n
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0,00E+000
5,00E-012
1,00E-011
1,50E-011
2,00E-011
2,50E-011
3,00E-011
3,50E-011
4,00E-011
10 kHz 100 kHz 500 kHz
C e
n Fa
rad
V en Volt
Ni/SiO2 (2nm)
S = 2400 µm2
Tunnel direct pour V > Vfb ~ -0.5V
Pour V< Vfb : barrière thermoionique ? -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0
10-2
10-1
100
101
102
103
104
105
106
NiFe/SiO2 (2nm)/Si(P)
T=100°K
S= 2x2 µm²
J (A
/m²)
V (Volt)
T=300°K
Ohmic contact P++ : Sub Injector + Collector
Ohmic contact N++ : Drain
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Conclusion & Perspectives
Intérêt d’un dispositif spintronique semiconducteur
Compatibilité du Métal F.M. avec Filière Silicium (Conditions de dépôts du F.M., mécanismes de transport)
Etude de Magnéto-transport :
- en cours
- premiers résultats encourageants