l’électronique de spin

Laboratoire de physique des matériaux.

L’électronique de spin.


1) Qu'est ce que l'électronique de spin ?11) Quelques définitions.12) Pourquoi ?13) Les avancées récentes de la recherche ont rendu possible cette « révolution ».14) Prospectives à long terme.2) Les bases physiques de l ’électronique de spin:21) le transport d ’électrons dans les métaux ferromagnétiques.22) La magnétoresistance géante.23) L ’effet Tunnel résolu en spin.3) Quelques applications de l'électronique de spin:31) Les capteurs, l’enregistrement magnétique,32) Les transistors,33) Les MRAM4) Conclusion

Quelques généralités:

C’est l’un des sujets “ chaud” du moment.

Par exemple, la revue Nature lui a consacré, en avril 2000, unarticle général dit “news feature” et intitulé “Meet the spindoctors”. Cet article prévoit une révolution dans l’électronique cesprochaines années...

La revue Science, dans une série d’articles de revue parus en 1998sur le thème : “device physics” , avait inclue un article de GaryPrinz sur le thème “magnetoelectronics”.

Nouvel article dans cette dernière revue en octobre 2001:« Spintronics: a spin-based electronics vision for the future »


Quelques définitions:


ElectroniqueElectronique de spin de spin

a) James Daughton MRS San Francisco Avril 2001:

1) Ce que vous voulez.

2) Combinaison du spin (matériaux ferromagnétiques) et del’électronique.

3) Nouveaux phénomènes de transport de spin appliqués encombinaison avec l’électronique.

b) La mienne (et celle de nombreux autres):

Utiliser dans des dispositifs pour l’électronique, non seulement, lacharge des porteurs (les électrons et les trous), mais aussi leurspin .

L’argument essentiel en faveur de l’utilisation d’une électroniqueexploitant le spin de l’électron est l’existence du cycle d’hystérésis: lalongue durée de vie des états magnétiques (même en condition métastables).


-1.5

0

1.5

-125 0 125

M

H

HC

MS

Cycle d’hystérésis typique d’unmatériaux ferromagnétique

Pour quoi faire ?

ON PEUT DONC CRÉER UNE ELECTRONIQUE NONVOLATILE.


Par exemple: on utilise la mémoire magnétique des roches naturelles pourconnaître l’histoire du champ magnétique terrestre, ou, plus récemment, onretrouve la mémoire en ferrite des premiers ordinateurs ou des analyseursmulticanaux des années 60 si on les mets sous tension...

Durant les années 80, les expérimentateurs ont acquis la maîtrise desméthodes de fabrication des couches minces magnétiques par épitaxie parjets moléculaires (EJM ou MBE) ou pulvérisation cathodique et on peutdonc, en principe, utiliser ces techniques pour préparer des composantsmagnétiques intégrés avec les dispositifs à semi-conducteurs et trèsminiaturisés.

Arguments supplémentaires:


Les méthodes de fabrication de petits objets:

a) Les techniques de fabrication de couches minces:

MBE - Fabrication de superréseaux de couches minces


Qu ’est ce qu ’unjet moléculaire ?

Qu ’est ce qu ’une épitaxie ?

Fe

Cr

Fe

Cr

Exemple d’épitaxied’une multicouche:


b) Les progrés dans les techniques d’usinage des petits objets:

Structuration • Lithographie• Gravure

On sait graver des masques pour fabriquer des petits objets de taille inférieureau micron


Réseau de plots de 500nm

Exemple de réalisation d’un réseau:


masque

résine

Les avancées de la recherche:Plusieurs découvertes fondamentales récentes ont rendu possible cettenouvelle électronique:

1987 ==> GMR (magnétorésistance géante) dans lesmulticouches magnétiques.

==> Nouveaux types de dispositifs:

1990 ==> Vanne de spin

1993 ==> Transistor à vanne de spin

1995 ==> Effet tunnel polarisé en spin(TMR)

Nouveaux composants fondés sur la “ manipulation du spin"


Perspectives à long terme:

Deux autres arguments sont cependant, aussi, importants dans unevisée à plus long terme:

i) Toutes les fonctions logiques de l’électronique sont aisément transposableset même simplifiées dans une électronique utilisant le spin. Mais le spinpouvant, en principe, être manipulé de l’extérieur (via un champ magnétique)ces fonctions peuvent être changées à tout moment (au milieu d’un calcul)ouvrant la voie à des microprocesseurs versatiles et universels.

Laboratoire de physique des matériaux

ii) Si on imagine une logique quantique comme logique future des ordinateurs,le spin est l’une des propriétés quantiques les plus simples et quasiment la plusfacile à manipuler.

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↓+↑= baétat

Plusieurs des modèles théoriques existant des ordinateurs quantiques sontfondés sur des idées utilisant le spin.


• Capteurs magnétiques

– microcompas, industrie automobile , détection decâble, compteurs électriques.

– direction de missile, détection sous-marine, détectionde masses magnétiques (mines enterrées…).

• Electronique non volatile (MRAM)

• Electronique haute densité.

• Enregistrement haute densité (< 1µm2)

Bases physiques : Effets Galvanomagnétiques.

a) Effet Hall : différence de potentiel perpendiculaire au courant enprésence d ’un champ magnétique (en principe égalementperpendiculaire).

b) Magnétoresistance anisotrope (AMR) qui désigne la variation dela résistivité électrique quand on passe d ’une géométrie où le courantest parallèle à l ’aimantation à une géométrie perpendiculaire.

Anciens:


Ou nouveaux:

c) GMR : Magnétorésistance « géante » observée dans lesmulticouches ou dans les vannes de spin.

d) TMR: Effet Tunnel polarisé en spin : différence detransmission tunnel pour deux couches ferromagnétiquesséparées par une couches isolantes dans des configurations oùl’aimantation des couches est parallèle ou antiparallèle.


Le transport dLe transport d’é’électrons dans les lectrons dans les mmèètauxtauxferromagnferromagnéétiques:tiques:

Le modéle à deux courants:La plupart des processus de diffusion des électrons conservent lespin.

Le transport est alors décrit par deux courants en parallèle.

= ↑ ↓

↑ + ↓


S2

S1 Grünberg et al.; Phys. Rev. Lett. 57,2442 (1986)

Couplage d’échange entre couches:

Les multicouches magnétiques:

Une multicouche magnétiquetypique: la configuration desaimantations des couches dépendde l’épaisseur de la couche nonmagnétique.


– e < libre parcours moyen (quelquesnm)

– On peut avoir les deux configurations despin: ↑↑ <==> ↑↓

– Diffusion dépendant du spin σ↓↓ ≠ σ↑↑

Quelques caractéristiques de ces multicouches:

FeFeFeFe

CrCrCr


r r

r

r

R R R

RR+= r

R- = R

R+ = (r+R)/2

R- = (R+r)/2

Configuration P

M MNM

-

+

M MNM

+

-

Configuration AP

2) La magnétorésistance géante:

rrR

RrRP 4rRRAP<


Champ magnétique (KG)

~ 80%

• Orsay : M. Baibich et al., Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1988)

• Jülich : G. Binash et al., Phys. Rev. B, 39, 4828 (1989)

Le résultat historique:

La magnétorésistance estgrande mais les champs desaturation sont égalementgrands.


L'effet tunnel en mécanique quantique:

expikz

rexp-ikztexpikz

V(z)

z

d


L ’onde évanescente de la particule a encore une amplitude non nulle dérrière la barrière, la particule peut donc la traverser.

Jonctions F/I/F:

En 1975 Jullière (Phys. letters 54A 225, (1975)) fabrique des jonctions Fe/aGe/Co.

Schéma d'une jonction tunnel F/I/F.


Son but est de mesurer l’effet tunnel polarisé en spin, c’est àdire la différence de transmission entre deux configurations:

Moments antiparallèleshaute résistance

Moments parallèlesrésistance faible

On définit deux quantités caractéristiques:

etAP

PAP

RRR

JMR−=

P

PAP

RRR

TMR−=


0

0

M

B

Cycle d'hystérésis d'unejonction avec deux matériauxmagnétiques différents.

Exemple de résultatsrécents de JMR sur unejonctionCo/Al2O3/Ni80Fe20

D’aprés Moodera et al.,P.R.L. 80, 2941 (1998).


Si//Co/Al2O3/FeNi/Au

Jonction tunnel préparée par pulvérisation cathodiqueet oxydation plasma de l’aluminium:

4) Etat actuel de la fabrication:


Au

Al2O3CoSi

FeNi Si3N4

Au

Réalisation pratique des contacts

Stades de lithographie et de gravure ( d ’après F. Montaigne):


Métal

Isolants

Semiconducteurs

Grande magnétorésistancecouches minces

Champs démagnétisants petits

1 electron par atomecourant élevé

petite haute densité

haute fréquence

Deux types de porteurs

Densité d’états dépendant du spinDiffusion dépendant du spin

Accumulation de spin

Quelques avantages de ces nouveaux effets


Les problèmes de physique qui se posent:

La compréhension du fonctionnement exact de la jonction tunnelpolarisée.

La compréhension du transport d’électrons en mode balistique.

La réalisation de jonctions avec des électrodes polarisées à 100%en spin.

La compréhension des problèmes d ’interfaces.

L’injection de la polarisation de spin d’un matériau à un autre.


Quelques applications:



Les capteurs Les capteurs magnmagnéétortoréésistifssistifs

l Couches minces • Technologie compatible avec la micro-électronique

• Petite taille, faible champ démagnétisant.

• Bas coût

l Basse fréquence– Mesure directe du champ magnétique

• Capteur de position linéaire et angulaire

• Mesure de vitesse (ABS,…)

• Détection de masse magnétique

– Gamme entre 1nT et 1mT

l Haute fréquence– Tête de lecture de disque dur

LL’’enregistrement magnenregistrement magnéétique:tique:

Largeur Entrefer

Signal d'entrée Ecriture

Lecture

Signal de sortie

Signaux en sinus

Décroissance exponentielle


Tète de lecture à GMR

W=0,23µm l=43nm 60 bits/µm2

10

100

1000

104

1980 1985 1990 1995 2000Areal densit

2 )

Year

Magnetoresistive Heads

30% per year60% per year

Accroissement de la densité des disques durs d ’ordinateurs aucours du temps.


Transistor de spin à haute mobilité

MétalFerromagnétique

Semiconducteur

e-

Gate

l < 0.1 µm


MétalFerromagnétique

La couche supérieure , par exemple InAlAs fortement dopé N est désertée en porteurs libres

sous l ’influence de la grille.

Suivant la valeur de la tension grille on accumule donc plus ou moins de porteurs dans un canal

de conduction à l ’hétéro interface.

Les contacts ferromagnétiques agissent comme un polariseur et un analyseur de spin. En

contrôlant la tension grille, on fait, alors, plus ou moins tourner le spin de l ’électron pendant

son voyage dans le semi-conducteur et le courant collecté va donc dépendre de cette tension.


~V

Spin HEMT ==>

Modulation electrooptique

==> Spin valve transistor

Analogie optique


Le transistor à vanne de spin:

Les travaux sur le transistor qui est un transistor à base métallique ont été initié à Twente:Première publication D.J. Monsma, J.C. Lodder, Th.J;A. Popma et B. Dieny, P.R.L. 74,5260 (1995) pour un transistor qui fonctionnait à 77 K.

Schéma du dispositif. La multicouche est déposée sur lecollecteur puis le collecteur et l’émetteur sont collés sous vide.


Spin valve transistor

e-

E

xemission base collector

e-

E

xemission base collector

Transistor à base métallique.

0

20

40

60

80

100

120

-2 103

-1 103

0 100

1 103

2 103

Champ(Oe)


VEB VBCB

E CM1 M2 M3

TTRAM

E C

B

Symbol

Transistor à effet tunnel:


IC

IE

IB

VEB VBC

MTJ1

MTJ2

Ic est contrôlée doublement::• par la tension de bias appliquée aux jonctions EB et BC• Champ magnétique appliqué (transmission tunnel polarisée entre les

deux jonctions)

Spin TRANSISTOR

E

B

C

TTRAM


Principe du réseau de mémoires magnétiques


courant

courant

xy

Seul l’élément à l’intersection est écrit

Vue de dessus

x

y

courant

Renversement d’aimantation

Orientation conservéecourant

courant

La somme des deux champs est nécessairepour faire tourner l’aimantation

Un courant suivant y seul nebascule pas l ’aimantation


En lecture on bascule le film doux dans un sens puis dans l ’autre: la différence entre le1 et le 0 est dans la séquence de lecture, par exemple:le 1 sera antiparallèle ( haute résistance) puis parallèle (basse résistance).Le 0 sera parallèle puis antiparallèle (basse tension puis haute tension).

Principe de fonctionnement:

Réalisations proposées::

- Utilisation d’une vanne de spin tout métallique (NVE, Honeywell).

- Utilisation de l’effet tunnel polarisé en spin, qui présente à la fois des possibilités designal important et des possibilités de miniaturisation. (IBM, Nanomem).


TTRAM

Tunnelling Transistor RAM

MIMRAM

Metal-Insulator-Metal RAM

Patent N°: 99 04227, March 99, K. Ounadjela and M. Hehn.Microelectronic devices based on Magnetic Tunnel junctions for memory applications

Réduction des dimensions de la MRAM


EBCinsulator

electrodes

MTJ2

MTJ1

C

B

E

- memory cell

- matrix array

Patterning 3TD - TTRAM: lithography

D’après C. Tiusan.


Conclusions sur les MRAM:

Les concepts de MRAM fondés sur l ’effet tunnel sont bien comprisLes problèmes actuels restent:1) Les problèmes de science des matériaux: interfaces, croissance,gravure…2) La réalisation d ’un transistor et d’une diode qui fonctionnent dansdes conditions acceptables.3) La réduction des dimensions…


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