Физические основы спинтроники

Спинтроника является одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений, призванным в недалеком будущем решить проблемы, с которыми сталкивается современная микроэлектроника. Термин «спинтроника» появился впервые в 1998 году в совместном сообщении лабораторий Белла и Йельского университета (США), в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. Таким образом, согласно их определению, спинтроника – это научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Согласно другим определениям, спинтроника представляет собой:

– электронику на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин-зависимые эффекты;

- науку об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях;

- раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамеагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

Физикам давно было известно, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный и механический моменты электрона. Однако до недавнего времени этот факт никак не использовался, поскольку в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов с различными случайными ориентациями спина, поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы случайным образом, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, а также туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов ситуация изменилась. Были разработаны магниторезистивные считывающие головки, в которых использовался открытый в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Появилась магниторезистивная оперативная память, которая стала еще одним подтверждением хороших перспектив спинтроники. Важную роль в становлении спинтроники сыграло и присуждение в 2007 году Нобелевской премии по физике А. Ферту (Франция) и П. Грюнбергу (Германия) за открытие эффекта ГМС.

Спиновые эффекты, связанные с спин-поляризованным транспортом электронов, возникают, когда в электропроводящем материале появляется спиновый дисбаланс заселенности уровня Ферми. Такой дисбаланс обычно присутствует в ферромагнитных материалах, у которых плотности состояний N(E) для электронов с различными спинами практически идентичны, однако эти состояния существенно различаются по энергии, как схематически показано на рис. 3.60 (здесь и далее под различными спинами электрона понимаются различные проекции спина на ось намагничивания). Без внешнего магнитного поля концентрация электронов со «спином вверх» и «спином вниз» одинаковая. В присутствии магнитного поля энергии электронов со спином по полю («спином вверх») и против поля («спином вниз») сдвигаются. В результате концентрация электронов с различной ориентацией спина вблизи энергии Ферми E_F разная.

а) б)

Рис. 3.60. Плотности состояний электронов с различными спинами в немагнитном (а)

и ферромагнитном (б) материалах

Заселенность энергетических уровней электронами с разным спином определяет спиновую поляризацию инжектируемых из такого материала электронов и особенности транспорта носителей заряда через него. Спиновая поляризация электронов в материале определяется как отношение разности концентраций электронов с различными спинами (n_↑ и n_↓) к их общей концентрации. В ферромагнитных материалах максимальная спиновая поляризация может достигать нескольких десятков процентов, но есть и такие сплавы, в частности, т. н. сплавы Хейслера, у которых спиновая поляризация составляет практически 100 %.

Электрический ток в твердотельных структурах, составленных из материалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляризации носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носители движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином, могут занять в коллекторе только вакантные места с такой же ориентацией спина. Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем электроде, по мере движения в коллекторе в силу процессов рассеяния изменяет как свой импульс, так и спин. Для практических применений важно знать, как долго электрон «помнит» свою спиновую ориентацию. В качестве характеристики «спиновой памяти» используют среднее расстояние, проходимое электроном до изменения своего спина. Это расстояние называют длиной спиновой релаксации. Оценки показывают, что ее величина превышает 100 нм.

Наряду с ферромагнитными материалами значительные перспективы практического использования имеют полупроводники, легированные до высоких уровней концентации (несколько атомных процентов) магнитных примесей. Их называют разбавленными магнитными полупроводниками. Исходными материалами являются полупроводниковые соединения А³В⁵ и А²В⁶, а также кремний и германий. В качестве магнитной примеси чаще всего используют марганец. В таких материалах удается получить спиновую поляризацию носителей заряда вплоть до 80 %, хотя температура Кюри для большинства исследованных разбавленных магнитных полупроводников составляет величину порядка 100 К (выше температуры Кюри, как известно, ферромагнитные свойства материала исчезают).

Следует отметить, что для приборных применений разбавленный магнитный полупроводник должен иметь не только высокую спиновую поляризацию носителей заряда, но и температуру Кюри выше комнатной, а также допускать создание областей с n- и р-типом проводимости. В кремнии n-типа спиновая поляризация электронов при комнатной температуре не превышает 5 %. Тем не менее, большая длина спиновой релаксации (для электронов она равна 230 нм, для дырок – 310 нм) делает этот традиционный в твердотельной электронике полупроводник вполне пригодным для создания на его основе электронных приборов на спиновых эффектах. Ферромагнитные свойства обнаружены также в низкоразмерных структурах из оксидов ряда металлов (ZnO, SnО₂, In₂О₃, А1₂О₃, TiО₂). Основной причиной ферромагнетизма в них является нестехиометрия по кислороду, особенно в их приповерхностных областях толщиной около 7 – 30 нм.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спином управляются намагниченностью этих материалов. Если внешним магнитным полем намагниченность изменяется на противоположную, то преобладающая ориентация спинов также меняется на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в материал с отличной от нуля намагниченностью, следовательно, и со спиновой поляризацией, этот материал может вести себя как проводник или как изолятор – в зависимости от направления намагниченности материала и ориентации спинов инжектированных электронов. При одинаковом направлении спинов инжектированных электронов и электронов материала обеспечивается наивысшая проводимость. Противоположное направление спинов препятствует прохождению электронов через материал.

Спиновые эффекты, используемые в спинтронных приборах, в явном виде проявляются через транспортные явления в электронных структурах, помещенных в магнитное поле. Для их реализации необходимо осуществить ориентацию спинов. Эта задача в настоящее время решается двумя способами: с помощью оптической ориентации и с использованием спиновой инжекции. Оптическая ориентация осуществляется при поглощении полупроводником света с круговой поляризацией. Напомним, что квант электромагнитного излучения (фотон) имеет спин, равный +1, если вектор напряженности электрического поля вращается по часовой стрелке, и –1 в противоположном случае. При поглощении фотона и переходе электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости спин фотона прибавляется к полному моменту импульса электрона, изменяя его соответственно на +1 или –1. Это может привести в определенных условиях к различию в концентрации электронов в зоне проводимости со спином вдоль направления распространения света и с противоположным направлением.

Другим способом управления спиновой поляризацией является спиновая инжекция. Известно, что в ферромагнетиках существует спонтанная равновесная спиновая поляризация, При протекании тока между ферромагнетиком и немагнитным материалом через контакт происходит перенос спина. В результате в области немагнитного материала вблизи контакта создается избыточная концентрация электронов с ориентацией «спин вверх». Такое явление называется спиновой аккумуляцией. Это состояние является неравновесным для немагнитного проводника, поскольку в равновесном состоянии концентрации электронов со «спином вверх» и «спином вниз» равны. Процесс установления равновесного состояния должен приводить к релаксации спинов и уменьшению спиновой поляризации. Поскольку неравновесные электронные спины живут относительно долго (порядка наносекунд), спины успевают переместиться на значительное расстояние от границы с ферромагнетиком. Весь этот процесс очень напоминает процесс рекомбинации неосновных носителей при инжекции их через электронно-дырочный переход в полупроводнике.

Как уже отмечалось, огромное влияние на становление спинтроники оказал обнаруженный в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Было давно известно, что электрическое сопротивление материалов изменяется под действием магнитного поля. Относительное изменение сопротивления при наличии магнитного поля и при его отсутствии и называется магнетосопротивлением. В немагнитных проводниках, таких как медь или золото, влияние магнитного поля на сопротивление очень мало. В ферромагнитных материалах величина магнитосопротивления более заметна. Это объясняется тем, что в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля имеются области спонтанной намагниченности – магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, т. е. намагничивается, что и приводит к изменению его электрического сопротивления. Однако величина магнетосопротивления в ферромагнитных материалах достигает всего лишь нескольких процентов. В случаях проявления эффекта ГМС уменьшение сопротивления под воздействием магнитного поля может достигать сотен процентов (при низких температурах).

Эффект ГМС был обнаружен в многослойных тонкопленочных структурах, составленных из чередующихся слоев немагнитного материала между противоположно намагниченными ферромагнитными материалами (рис. 3.61). Для создания таких структур используют различные комбинации материалов, например, железо-хром, кобальт-медь, пермаллой-серебро и др. Суммарный эффект зависит от количества слоев – он усиливается с ростом числа слоев и достигает своего максимума примерно для 100 слоев (при толщине каждого слоя в несколько нанометров).

а) б)

Рис. 3.61. Многослойная структура из ферромагнитного и неферромагнитного материалов

при отсутствии магнитного поля (а) и при его наличии (б)

Эффект ГМС наблюдается, когда электрический ток пропускают как в плоскости слоев, так и перпендикулярно им. Рассмотрим для примера тонкопленочную структуру с плоскопараллельной геометрией протекающих токов. Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быть получены осаждением в магнитных полях, имеющих противоположную ориентацию. В отсутствие магнитного поля сопротивление, измеряемое током, проходящим в плоскости слоев, будет самым большим, когда магнитные моменты в чередующихся слоях противоположно направлены. При этом электроны со спином, соответствующим намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Это приводит к отражению электронов от границы таких слоев и вынуждает ток течь внутри узких каналов (рис. 3.62).

Рис. 3.62. К объяснению эффекта гигантского магнетосопротивления: АФМ – антиферромагнитная конфигурация слоев, ФМ – ферромагнитная конфигурация слоев

С увеличением напряженности внешнего магнитного поля магнетосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что магнитное поле, которое имеет тенденцию выравнивать моменты магнитных параллельных слоев, должно преодолеть обменную связь, которая предпочитает антипараллельное расположение моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Полное выстраивание магнитных моментов в одном направлении достигается только в области поля насыщения, равного по величине полю обменной связи. Это будет соответствовать минимальному сопротивлению структуры.

Кроме эффекта ГМС в спинтронике большое внимание уделяется другому эффекту – колоссальному магнетосопротивлению (КМС), открытому в 1994 году вманганите лантана. В отличие от ГМС здесь никаких слоистых структур создавать не требуется.Эффект наблюдается в сильных магнитных полях, достигая максимальных значений при напряженности поля на уровне единиц тесла. Явление получило свое название потому, что при определенных условиях его величина существенно превышает величину ГМС, достигая тысяч и десятков тысяч процентов. КМС обычно наблюдается в узком интервале температур вблизи температуры Кюри. Он наиболее изучен для манганитов лантана и редкоземельных элементов (R), типа R_1–xA_xMnO₃, где через A обозначены атомы K, Na, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb. Однако, в последнее время его наблюдали и для некоторых других сложных оксидов переходных металлов. Материалы с КМС могут быть использованы для создания датчиков магнитного поля и функциональных элементов спинтроники.

Важным направлением спинтроники является создание приборных структур, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Туннелирование между двумя по-разному намагниченными ферромагнитными слоями, разделенными тонким диэлектриком (обычно это оксид алюминия Al₂O₃ толщиной менее 2 нм), предполагает зависимость туннельного тока от магнитного поля. В ферромагнитном материале энергия электронов со «спином вверх» и «спином вниз» различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных ферромагнитных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала.

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, но для его реализации требовались температуры жидкого гелия, поэтому особого внимания на тот момент к нему не проявили. Ситуация изменилась в 1995 году, когда его удалось продемонстрировать при комнатной температуре. Поначалу, правда, спины в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12 – 18 % электронов, чего для практических устройств было не достаточно. Однако уже к концу 1990-х годов это соотношение удалось повысить до 70 %. К середине 2000-х годов новейшие технологии позволили добиться еще более высоких показателей, что открыло путь к коммерческому выпуску магниторезистивной оперативной памяти (MRAM).

MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи порядка 2 нс, что на три порядка меньше, чем у flash-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash- и DRAM-памяти. Принцип записи лог. 1 и лог. 0 в MRAM иллюстрирует рис. 3.63. Два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала (оксид алюминия или оксид магния). Вероятность туннелрования электронов через диэлектрический слой зависит от их ориентации спинов. В случае параллельной ориентации (верхний рисунок) происходит запись лог. 1, в случае антипараллельной (нижний рисунок) производится запись лог. 0.

Рис. 3.63. К объяснению работы магниторезистивной оперативной памяти

Одна из сложнейших задач при разработке спинтронных приборов – это контроль спиновой поляризации электронного тока. Чтобы полностью контролировать степень свободы спина в полупроводниках, желательно конструировать элементы спинтроники или приборы на их основе, которые могут эффективно инжектировать и распознавать электроны с определенным спином. Таким образом, практическое значение имеют полупроводниковые структуры с высоким коэффициентом спин-инжекции, большим временем спин-релаксации, спин-ориентацией, регулируемой напряжением на управляющем электроде (затворе), и высокой спин-чувствительностью для детектирования носителей заряда с определенным спином. Кроме того, спин-инжекция и спин-детектирование предоставляют возможность записи и считывания данных в полупроводниковых квантовых точках, которые являются необходимой составной частью твердотельных квантовых компьютеров.

Важным обстоятельством является то, что процесс переворота спина (поляризация) не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, поэтому процесс поляризации не сопровождается выделением тепла. Ожидается, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах энергии значительно меньшей, чем у обычных электронных элементов.