Основы спинтроники

Введение

Физики уже свыше 80 лет знают, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только свой электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный момент и механический момент вращения электрона. Однако электроника свыше 100 лет игнорировала этот факт, – сначала потому, что не знала об этом, а затем потому, что в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов проводимости с различными случайными ориентациями спина. Поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. И специалисты по электронике просто не замечали ни перенос спинов, ни спиновую зависимость характеристик переноса электронов. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотически, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов "лед тронулся". Описанные выше магниторезистивные считывающие головки, в которых используются особенности электрического тока в ферромагнетиках, и магниторезистивная оперативная память стали первыми реальными воплощениями спинтроники – относительно нового раздела электроники, в котором используются явления спин-зависимого переноса электрического заряда и переноса спина.

Исследования и разработки в области спинтроники ныне переживают настоящий "бум". Он объясняется тем, что переворот спина не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд (10^-12 с). При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, и это практически не приводит к выделению тепла. Поэтому и ожидают, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах значительно меньшей энергии, чем в случае обычных электронных элементов.

Ферромагнитная элементная база спинтроники

Спиновый клапан

Практически во всех предложенных до сих пор устройствах спинтроники используются ферромагнитные элементы. Структура первого и известнейшего из них, который получил "романтическое" название "спиновый клапан" или "спиновый вентиль" (англ. spin valve), показана на рис. 1.1 слева. По сути это описанная уже выше магниторезистивная ячейка на основе явления "гигантского магнетосопротивления".

Рис. 1.1. Структура спинового клапана (слева) и магнитного туннельного перехода (справа). Белыми стрелками показано направление постоянной намагниченности "фиксированного" ферромагнетика

Спиновый клапан состоит из двух обычных электродов (Эл1 и Эл2), "свободного" ферромагнетика (СФМ), очень тонкого слоя нормального, не ферромагнитного металла (НМ) и "фиксированного" ферромагнетика (ФФМ). Магниторезистивную ячейку на основе явления "туннельного магнетосопротивления", изображенную на рис. 1.1 справа, называют "магнитным туннельным переходом" (англ. Magnetic Tunnel Junction – MTJ). Здесь ТП – это сверхтонкий слой диэлектрика, сквозь который происходит туннелирование электронов.

Основной характеристикой этих спинтронных устройств является зависимость проходного электрического сопротивления устройства или электрического тока, который протекает сквозь него (при постоянном приложенном напряжении), от индукции внешнего магнитного поля. Пример такой характеристики приведен в предыдущем цикле лекций на рис. 11.9 справа.

Логика употребления названия спиновый клапан заключается в том, что электрическим током, протекающим сквозь такое устройство, можно управлять с помощью внешнего магнитного поля опосредованно, изменяя ориентацию спинов в "свободном" ферромагнитном слое. Некоторые авторы называют описанные выше спиновый клапан и магнитный туннельный переход также спиновыми диодами. Это название связано с тем, что эти устройства, как и диод, имеют 2 вывода и хорошо пропускают электрический ток лишь тогда, когда намагниченности соответствующих ферромагнетиков сонаправлены.

На основе спинового клапана или магнитного туннельного перехода можно реализовать спинтронную гальваническую развязку двух электрических схем ( рис. 1.2 слева). Когда через шину входа пропускают входной ток (І_вх) того или иного направления, то создаваемое им магнитное поле перемагничивает "свободный" ферромагнетик в соответствующем направлении. А от этого зависит величина выходного тока І_вых Входная и выходная цепи при этом гальванически развязаны.

Рис. 1.2. Структура спинтронной гальванической развязки (слева) и схема оптрона (справа – для сравнения)

Работа такого спинтронного устройства аналогична работе оптоэлектронной гальванической развязки, схема которой показана на рис. 1.2 справа. Входной ток І_вх течет здесь через светодиод (СД) оптически связанный с фоторезистором (ФР). От того, излучает ли светодиод, зависит величина выходного тока І_вых Но спинтронный аналог при наноразмерах магниторезистивной ячейки работает несравненно быстрее: частота переключений достигает нескольких десятков гигагерц.

Спин-вентильный транзистор

Предложено уже много вариантов спинтронных транзисторов. Мы рассмотрим только некоторые из них. Одним из первых был спин-вентильный транзистор – спинтронный аналог полупроводникового транзистора с металлической базой Его структура (слева) и соответствующая энергетическая диаграмма (справа) показаны на рис. 1.3 . База этого транзистора представляет собой спиновый клапан (вентиль), наноструктура которого детальнее изображена в круглой выноске.

Рис. 1.3. Структура спин-вентильного транзистора (слева) и соответствующая энергетическая диаграмма (справа)

"Свободный" ферромагнетик из сплава NiFe имеет коэрцитивную силу приблизительно 400 А/м, а "фиксированный" (из кобальта) – приблизительно 1600 А/м. Не ферромагнитная прослойка и контакт с коллектором выполнены из золота, а контакт с эмиттером (Эм-р) – из платины. На границе раздела между базой и полупроводниками образуются барьеры Шоттки. Барьер Pt–Si приблизительно на 0,1 эВ выше барьера Au-Si. На энергетической диаграмме справа эти потенциалы Шоттки обозначены через ϕ_Ш1 и ϕ_Ш2. Вдоль горизонтали отложена потенциальная энергия электронов, вдоль вертикали вниз – координата на перпендикуляре к плоскости слоев. Штриховыми вертикальными линиями обозначены уровни Ферми E_Ф в эмиттере, в базе и в коллекторе, а через U_ЭБ и U_БК – перепады напряжения между базой и эмиттером и соответственно между базой и коллектором.

Ток I_Б из эмиттера в базу подбирают так, чтобы электроны входили в базу перпендикулярно слоям спинового вентиля. Из-за наличия барьера Шоттки в базу могут пройти только "горячие" электроны. В многослойной базе большинство этих электронов ориентируются спинами вдоль направления намагниченности "свободного" ферромагнитного слоя. Дальше они проходят сквозь очень тонкий не магнитный слой золота и попадают в "фиксированный" ферромагнитный слой кобальта. Если ориентация большинства спинов параллельна намагниченности этого слоя, то они проходят сквозь него, а если антипараллельна, то не проходят и образуют ток базы (I_Б). После возможных редких рассеяний в базе электроны теряют часть своей кинетической энергии, но потом и набирают ее, ускоряясь благодаря напряжению между базой и коллектором. Многим из них этой энергии достаточно, чтобы пройти сквозь барьер Шоттки на контакте Au-Si . В результате ток коллектора (I_К) существенно зависит от взаимной ориентации намагниченности "свободного" и "фиксированного" ферромагнетика. А эту ориентацию можно изменять внешним магнитным полем.

На рис. 1.4 типичная зависимость коллекторного тока (I_К) от напряженности внешнего магнитного поля Н. Когда эта напряженность превышает коэрцитивную силу пленки кобальта, направления намагниченности обоих ферромагнитных слоев совпадают, и сквозь спин-вентильный транзистор течет максимальный ток (точка 1). Если Н уменьшать, то немного уменьшается и ток коллектора. Когда Н уменьшится до 0, начнет возрастать в противоположном направлении и достигнет величины коэрцитивной силы "свободного" ферромагнетика (точка 2), тогда слой NiFe перемагничивается в противоположном направлении, вследствие чего коллекторный ток резко падает.

Рис. 1.4. Зависимость коллекторного тока спин-вентильного транзистора от напряженности внешнего магнитного поля

Если и дальше увеличивать Н в противоположном направлении, то при достижении значения коэрцитивной силы слоя кобальта (точка 3) начинается перемагничивание этого слоя также в направлении магнитного поля, вследствие чего направления намагниченности обеих ферромагнитных слоев опять совпадают, и коллекторный ток резко возрастает. При больших значениях Н коллекторный ток снова достигает наибольшего значения (точка 4). Если напряженность магнитного поля уменьшать (пунктирная линия), то все повторяется зеркально симметрично (точки 5, 6, 1).

В описанном спин-вентильном транзисторе коллекторный ток значительно меньше, чем ток эмиттера и базы, так что усиление тока или мощности не наблюдается. Тем не менее, чувствительность к изменениям магнитного поля вблизи точек 2, 3, 5 и 6 довольно велика. Ток изменяется почти втрое в диапазоне в несколько эрстед с очень быстрой (пикосекундной) реакцией. Такой транзистор, как видим. имеет еще и собственную "память", которая не зависит от выключения питания, и по-разному "реагирует" на изменения магнитного поля в зависимости от состояния, в котором он находится.