Перший спиновий транзистор на основі кремнію відкриває шлях до електроніки нового покоління

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 74

Ріс. 1. Ліворуч: Іан Аппельбаум, який створив разом з Біцинем Хуаном (на задньому плані) і Доу Монмою перший спиновий транзистор на кремнії, здатний переміщати спини електронів на відстані в сотні мкм і керувати ними. Праворуч: кремнієвий спиновий чіп, що містить понад десяток спинових транзисторів. Фото з сайту www.udel.edu

Дослідницькій групі на чолі з Іаном Аппельбаумом з Делаверського університету (США) вдалося передати спін-електронний струм на марафонську за мірками мікроелектроніки дистанцію в 350 мкм крізь безпримісну кремнієву підкладку. Ця піонерська робота позначила шлях до розробки більш дешевих, більш швидких і мало енергоспоживаючих пристроїв для обробки і зберігання інформації.

Спінтроніка — електроніка нового покоління

Досить молода область сучасної фізики — спинова електроніка, або спинтроніка, — притягує все більше дослідників багатообіцяючими практичними застосуваннями. Якщо в традиційній електроніці використовується звичайний електричний струм (переміщуються заряди), то електроніка нового покоління заснована на іншому фізичному принципі — в ній переміщуються спини електронів.

Спін електрону (власний момент кількості руху) — це внутрішня характеристика електрону, що має квантову природу і не залежить від руху електрону. Спин електрона може перебувати в одному з двох станів — або «спін-вгору» (напрямок спина збігається з напрямком намагніченості магнітного матеріалу), або «спін-вниз» (спин і намагниченість різноспрямовані). Зазвичай електрони в речовині в середньому неполяризовані — електронів зі спином вгору і зі спином вниз приблизно порівну. Знаряддям спинтроніки є струм, створюваний електронами з односпрямованими спинами (спиновий струм). Для отримання досить сильного струму необхідно поляризувати спини, впорядкувавши їх в одному напрямку. Важливо, щоб ще й час життя спина (час, протягом якого напрямок спину не змінюється) був досить великим для передачі його на потрібні відстані.

Якщо традиційні електронні пристрої, засновані на електричних властивостях речовини, управляються переважно доданою напругою, то для маніпуляції спиновими властивостями, що характеризуються напрямком спину і часом його життя, необхідно використовувати зовнішнє магнітне поле.

У чому секрет підвищеного інтересу до спинтроніки? По-перше, спинові прилади будуть багатофункціональні — вони дозволять поєднувати на одному чіпі функції накопичувача для зберігання інформації, детектора для її зчитування, логічного аналізатора для її обробки і комутатора для подальшої її передачі до інших елементів чіпа.

По-друге, такі пристрої будуть володіти високою швидкістю реагування на керуючий сигнал і споживати значно менше енергії, ніж пристрої традиційної електроніки. Це пояснюється тим, що переворот спина, на відміну від переміщення заряду, практично не вимагає витрат енергії, а в проміжках між операціями спинтронний пристрій відключається від джерела живлення. При зміні напрямку спина кінетична енергія електрона не змінюється, і значить, тепла майже не виділяється. Швидкість ж зміни положення спину дуже висока: експерименти показали, що переворот спину здійснюється за кілька пікосекунд (трильйонних часток секунди).

Ці переваги дозволять спинтронним пристроям стати основою для ЕВМ нового покоління — квантових комп’ютерів. Але щоб це стало можливо, необхідно створити ключові елементи «спинових мікросхем» — спинові транзистори, тобто пристрої, в яких можна посилювати, послаблювати або вимикати спиновий струм. А на базі спинового транзистора вже будуть створюватися нові комп’ютерні процесори, сенсори, перепрограмовані логічні пристрої та енергонезалежна швидкодіюча пам’ять високої щільності.

Спиновий транзистор: важко зробити перший крок

У спиновому транзисторі стану «включено» і «вимкнено» залежать від надсилання спинів електронів, які беруть участь у струмі. Будь-який спін-електронний пристрій, в тому числі і спиновий транзистор, повинен містити три основні елементи:

1) механізм для електричного інжектування (простіше кажучи «впорська») спін-поляризованих (тобто вибудуваних в обраному напрямку) електронів в напівпровідник (будемо називати цей механізм «інжектор»),

2) засоби для управління спиновим струмом в напівпровіднику (наприклад, докладена напруга, що змушує рухатися електрони), 3)

електрична схема для прецизійного детектирования (вимірювання).

Але наявності цих трьох цеглинок недостатньо, щоб побудувати кінцевий пристрій. Потрібно ще домогтися високої ефективності електричної інжекції спинів у напівпровідник і достатньої довжини дифузії (переміщення) спина. А щоб спін зміг подолати цю відстань у напівпровіднику і досягти детектора, він повинен мати достатній час життя. І бажано, щоб все це відбувалося при кімнатній температурі (важко собі уявити домашній комп’ютер з процесором на базі спинових транзисторів, який працює тільки при охолодженні його до температури рідкого гелію!).

Людство вже десять років вкушає плоди спінтроніки у вигляді комп’ютерних жорстких дисків і прецизійних сенсорів магнітного поля, в яких використано ефект гігантського магнетосопротивлення. Саме за відкриття цього явища Альбер Фер і Петер Грюнберг були удостоєні Нобелівської премії з фізики цього року. Але створення спинового транзистора і спинової пам’яті досі залишалося нерозв’язним завданням. Всі попередні спроби з використанням дорогих технологій і матеріалів (таких як арсенід галію GaAs, оксид цинку ZnO, сульфід кадмію CdS) не увінчалися успіхом: спинові транзистори або працювали тільки при дуже низьких температурах, або працювали при температурах, близьких до кімнатної, але мали при цьому дуже малу величину ефективності, або дозволяли передавати спиновий струм на дуже незначні відстані, вимірювані сотнями нанометрів.

Революція в спинтроніці здійснилася

І ось настав момент, коли з упевненістю можна сказати, що створено перший у світі спін-електронний транзистор, що задовольняє всім перерахованим вище критеріям. Причому він створений на базі кремнію, якому пророкували позицію аутсайдера в сучасній електроніці.

Дослідницька група у складі Іана Аппельбаума (Ian Appelbaum) і його аспіранта Біциня Хуана (Biqin Huang) з Делаверського університету (University of Delaware), а також Доу Монми (Douwe Monsma) з компанії «Кембридж Н^ Тех» (Cambridge NanoTech) показала, що спин може бути транспортований (переміщено) на марафонську за мірками мікроелектроніки дистанцію — 350 мкм! — крізь безпритульну кремнієву підкладку (Використання безпримісної підкладки дозволяє домогтися протікання «чистого» спинового струму в напівпровіднику, що дуже важливо для точного детектування результуючого сигналу).

Результати цієї піонерської роботи були опубліковані 26 жовтня цього року в найпрестижнішому фізичному журналі Physical Review Letters. До цього та ж група вчених вперше експериментально продемонструвала, що спиновий струм можна інжектувати (впорскувати) в кремнієву підкладку, керувати ним і вимірювати його (див. статтю в Nature за 17 травня 2007 року).

У роботі, опублікованій 13 серпня 2007 року в авторитетному журналі Applied Physics Letters, дослідники показали, як досягти дуже високого (на сьогоднішній день) ступеня спинової поляризації — 37%. Це означає, що від загального числа спинів, що надійшли на інжектор, 37% односпрямованих спинів вдалося доставити до детектора. Стовідсотковій поляризації відповідає випадок, коли всі спини, вибудувані у виділеному напрямку (найчастіше «спін-вгору»), дійшли до детектора. Оскільки в реальних системах є різного роду розсіювання і поглинання (система не ідеальна), стовідсоткової ефективності поки отримати не вдається.

Відкриття підтверджує, що з кремнію — робочої конячки сучасної електроніки — можна не знімати упряжку ще багато десятиліть, використовуючи його для створення спін-електронних пристроїв, таких як спиновий транзистор і спинова пам’ять. Дослідники показали, що кремній вже зараз може бути використаний для здійснення численних маніпуляцій над спином на масштабі в кілька сот мікрометрів і протягом часу, достатнього для здійснення декількох тисяч логічних операцій (десятки наносекунд), тим самим відкриваючи широку дорогу для спін-електронних систем на базі кремнію. Поєднавши в єдину схему сотні або навіть тисячі створених спинових чіпів (рис. 1, праворуч), можна отримати надшвидкий пристрій для обробки інформації, що за своєю ефективністю перевищує сучасні процесори в десятки разів!

Як працює спиновий транзистор

Методика експериментів, коротко, така. Спочатку автори виготовили шаровисту структуру, складену з шару ферромагнетика, шару чистого кремнію, потім другого шару ферромагнетика, але вже іншого, і нарешті, шару кремнію з домішками. До різних шарів цієї структури прикладається спеціально підібрану напругу, що керує перебігом електронів. Потік електронів на вході неполяризований, але після проходження ферромагнітного прошарку він набуває поляризацію — тобто стає спиновим струмом. Ці електрони потрапляють у прошарок з чистого кремнію, проходять досить велику дистанцію, потім потрапляють у другий ферромагнітний шар і виходять назовні.

Експерименти показали, що при русі через кремній поляризація електронів частково зберігається. Завдяки цьому, змінюючи взаємну орієнтацію магнітних полів у двох шарах ферромагнетика, можна вмикати або вимикати спиновий струм на виході. Це дозволяє для здійснення надшвидких логічних операцій над інформацією використовувати два стійких стани приладу, при яких струм або є (логічна «1»), або ні (логічний «0»), за аналогією з традиційним транзистором, для здійснення надшвидких логічних операцій над інформацією.

Спочатку дослідники працювали з шарами товщиною приблизно 10 мкм, але в останній роботі, опублікованій в Physical Review Letters, вони збільшили проміжний шар чистого кремнію до 350 мкм — а це вже цілком макроскопічний розмір. Навіть на таких великих відстанях спиновий струм як і раніше зберігався. Таким чином, представлений пристрій демонструє довгий час життя спина електрона, за яке він здатний подолати шар напівпровідника товщиною до 350 мкм.

Вид транзистора, принцип дії і зонна діаграма (діаграма енергетичних станів бар’єрів, які зустрічають електрони при проходженні через речовини) показані на рис. 2.

Рис, 2. а — зображення кремнієвого спинового транзистора, b — схема роботи і c — зонна діаграма його компонентів. При постійній напрузі на емітері V_e вимірювався «перший колекторний струм» I_c1 на NiFe-контакті і «другий колекторний струм» I_c2 на індієвому контакті, обложеному на кремнієвій підкладці n-типу. Ріс. з обговорюваної статті у Phys. Rev. Lett.

На першому етапі при доданій напрузі V_e неполяризовані електрони інжектуються з алюмінієвого еміттера (джерела) у ферромагнітний шар Co₈₄Fe₁₆. Завдяки спін-залежному розсіюванню електронів у магнітному шарі, електрони з виділеним напрямком спина (наприклад, «спін-вниз») відсіюються, оскільки напрямок намагніченості шару Co₈₄Fe₁₆ не збігається з напрямком спинів. Відібрані електрони з односпрямованими спинами тунелюють через тонкий шар Al₂O₃. В даному випадку тунельний бар’єр проходять тільки «гарячі» електрони (з енергією, досить високою для подолання енергетичних бар’єрів), створюючи емітерний струм (струм джерела). «Гарячі» електрони потрібні для збільшення ефективності приладу.

Рис, 3. Механізм роботи інжектора і детектора. а — шари Co₈₄Fe₁₆ і Ni₈₀Fe₂₀ намагаються паралельно, b — антипаралельно (emmiter — джерело струму, F — перший і другий ферромагнітні шари відповідно, silicon — кремнієвий прошарок, collector — приймач спинового струму). Ріс. з сайту noorderlicht.vpro.nl

Пройшовши через бар’єр Ауд тки (потенційний бар’єр, що виникає на кордоні метал — напівпровідник) в безпримісний монокристалічний шар кремнію, електрони займають вільні місця в зоні провідності напівпровідника і, під дією докладеного до нього напруги _Vc1, починають впорядкований рух. При цьому виникає колекторний струм _Ic1 (струм на детекторі). Після проходження через 350-мікрометровий шар кремнію спин-поляризовані електрони детектуються другим спиновим транзистором. Ферромагнітний шар _Ni80_Fe20 реєструє спини електронів, які інжектуються в кремній n-типу (тобто кремній, основними носіями струму в якому є електрони) для збільшення чутливості детектора (в зоні провідності кремнію n-типу є надлишкові електрони, які посилюють спиновий струм), створюючи колекторний струм _Ic2. Спиновий струм залежить від відносної намагніченості обох ферромагнітних шарів.

На рис. 3 показано механізм роботи детектора. У разі паралельного спрямування намагніченостей у шарах Co₈₄Fe₁₆ і Ni₈₀Fe₂₀ (рис. 3а) струм вище, ніж при антипараллельному напрямку намагніченостей (рис. 3b). Перший режим функціонування детектора можна порівняти з футбольним матчем без воротаря: всі м’ячі, послані в сітку воріт, обертаються голом. Другому ж режиму відповідає гра з дуже хорошим голкіпером, який відбиває всі м’ячі, що летять у ворота.

Слід зазначити, що при кімнатній температурі транзистор все ж має не дуже високу ефективність роботи. Хороші результати роботи прилад показав при температурі -73 ° C (150 K). Так що дослідникам ще потрібно потрудитися над збільшенням температурних інтервалів функціонування транзистора. Автори впевнені, що за допомогою їх пристрою цілком досяжна стовідсоткова спинова поляризація, при якій всі інжектовані електрони мають орієнтацію або «спін-вгору», або «спін-вниз». Високий ступінь поляризація дозволяє більш точно визначати величину спинового струму, позбавляючи логічний пристрій (в даному випадку мається на увазі кінцевий пристрій на базі масиву зі спинових транзисторів) від помилок при аналізі та обробці інформації.

Отже, створення революційного устрою — спинового транзистора на кремнії, здатного переміщати спини з виділеним напрямком на сотні мікрометрів у просторі, — відбулося, ознаменувавши тим самим старт для створення надшвидкої і низько енергоспоживаючої електроніки нового покоління. Це перший у світі спін-електронний пристрій на кремнії, що має високий ступінь спинової поляризації при температурі, близькій до кімнатної. За своєю важливістю ця подія може бути порівнянна з відкриттям класичного напівпровідникового транзистора шість десятиліть тому. Нам залишається тільки побажати дослідникам наукових успіхів і чекати появи електронної техніки нового покоління.

Джерело: Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum. Coherent Spin Transport through a 350 Micron Thick Silicon Wafer // Physical Review Letters 99, 177209 (2007); текст доступний також як arXiv:0706.0866.

Див. також:

1) Ian Appelbaum, Biqin Huang, Douwe J. Monsma. Electronic measurement and control of spin transport in silicon // Nature (2007). V. 447. P. 295 (текст доступний також як cond-mat/0703025)

.2) Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum. Experimental realization of a silicon spin field-effect transistor // Applied Physics Letters 91, 072501 (2007); текст доступний також як arXiv:0705.4260.

Олександр Самардак