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

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

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

Application : GMRTêtes de Lecture : enregistrement magnétique à haute densité

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 ↑↑↑ ∝

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.

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

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

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

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

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

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

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 ?

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

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 ↑↓↓↑

↑↓↓↑

+++

+−+=

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

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 »

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)

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

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.

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

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.)

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

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 » ?

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)

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

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

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