Laboratoire de physique des matériaux.
L’électronique de spin.
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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 »
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Quelques définitions:
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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).
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-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.
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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:
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Les méthodes de fabrication de petits objets:
a) Les techniques de fabrication de couches minces:
MBE - Fabrication de superréseaux de couches minces
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Qu ’est ce qu ’unjet moléculaire ?
Qu ’est ce qu ’une épitaxie ?
Fe
Cr
Fe
Cr
Exemple d’épitaxied’une multicouche:
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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
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Réseau de plots de 500nm
Exemple de réalisation d’un réseau:
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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"
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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.
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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.
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• 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:
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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.
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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.
= ↑ ↓
↑ + ↓
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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.
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– 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
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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<
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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.
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L'effet tunnel en mécanique quantique:
expikz
rexp-ikztexpikz
V(z)
z
d
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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.
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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−=
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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).
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Si//Co/Al2O3/FeNi/Au
Jonction tunnel préparée par pulvérisation cathodiqueet oxydation plasma de l’aluminium:
4) Etat actuel de la fabrication:
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Au
Al2O3CoSi
FeNi Si3N4
Au
Réalisation pratique des contacts
Stades de lithographie et de gravure ( d ’après F. Montaigne):
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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
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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.
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Quelques applications:
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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
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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.
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Transistor de spin à haute mobilité
MétalFerromagnétique
Semiconducteur
e-
Gate
l < 0.1 µm
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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.
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~V
Spin HEMT ==>
Modulation electrooptique
==> Spin valve transistor
Analogie optique
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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.
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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)
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VEB VBCB
E CM1 M2 M3
TTRAM
E C
B
Symbol
Transistor à effet tunnel:
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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
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Principe du réseau de mémoires magnétiques
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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
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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).
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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
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EBCinsulator
electrodes
MTJ2
MTJ1
C
B
E
- memory cell
- matrix array
Patterning 3TD - TTRAM: lithography
D’après C. Tiusan.
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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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