Первый спиновый транзистор на основе кремния открывает путь к электронике нового поколения

01.11.07

Исследовательской группе во главе с Ианом Аппельбаумом из Делавэрского университета (США) удалось передать спин-электронный ток на марафонскую по меркам микроэлектроники дистанцию в 350 мкм сквозь беспримесную кремниевую подложку. Эта пионерская работа обозначила путь к разработке более дешевых, более быстрых и мало энергопотребляющих устройств для обработки и хранения информации.

Рис. 1. Слева: Иан Аппельбаум, создавший вместе с Бицинем Хуаном (на заднем плане) и Доу Монмой первый спиновый транзистор на кремнии, способный перемещать спины электронов на расстояния в сотни мкм и управлять ими. Справа: кремниевый спиновый чип, содержащий более десятка спиновых транзисторов.

СПИНТРОНИКА – ЭЛЕКТРОНИКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Достаточно молодая область современной физики – спиновая электроника, или спинтроника, – притягивает всё больше исследователей многообещающими практическими применениями. Если в традиционной электронике используется обычный электрический ток (перемещаются заряды), то электроника нового поколения основана на ином физическом принципе – в ней перемещаются спины электронов.

Спин электрона (собственный момент количества движения) – это внутренняя характеристика электрона, имеющая квантовую природу и не зависящая от движения электрона. Спин электрона может находиться в одном из двух состояний – либо «спин-вверх» (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо «спин-вниз» (спин и намагниченность разнонаправлены).

Обычно электроны в веществе в среднем неполяризованы – электронов со спином вверх и со спином вниз примерно поровну. Орудием спинтроники является ток, создаваемый электронами с однонаправленными спинами (спиновый ток). Для получения достаточно сильного тока необходимо поляризовать спины, упорядочив их в одном направлении. Важно, чтобы еще и время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи его на нужные расстояния.

Если традиционные электронные устройства, основанные на электрических свойствах вещества, управляются преимущественно приложенным напряжением, то для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле.

В чём секрет повышенного интереса к спинтронике? Во-первых, спиновые приборы будут многофункциональны – они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа.

Во-вторых, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники. Это объясняется тем, что переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется, и значит, тепла почти не выделяется. Скорость же изменения положения спина очень высока: эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды).

Эти преимущества позволят спинтронным устройствам стать основой для ЭВМ нового поколения – квантовых компьютеров. Но чтобы это стало возможно, необходимо создать ключевые элементы «спиновых микросхем» – спиновые транзисторы, то есть устройства, в которых можно усиливать, ослаблять или выключать спиновый ток. А на базе спинового транзистора уже будут создаваться новые компьютерные процессоры, сенсоры, перепрограммируемые логические устройства и энергонезависимая быстродействующая память высокой плотности.

СПИНОВОЙ ТРАНЗИСТОР: ТРУДНО СДЕЛАТЬ ПЕРВЫЙ ШАГ

В спиновом транзисторе состояния «включен» и «выключен» зависят от направления спинов электронов, участвующих в токе. Любое спин-электронное устройство, в том числе и спиновый транзистор, должно содержать три основных элемента:

1) механизм для электрического инжектирования (проще говоря «впрыска») спин-поляризованных (то есть выстроенных в выбранном направлении) электронов в полупроводник (будем называть этот механизм «инжектор»),

2) средства для управления спиновым током в полупроводнике (например, приложенное напряжение, заставляющее двигаться электроны),

3) электрическая схема для прецизионного детектирования (измерения) результирующего спинового тока (будем называть ее «детектор»).

Но наличия этих трех кирпичиков недостаточно, чтобы построить конечное устройство. Нужно еще добиться высокой эффективности электрической инжекции спинов в полупроводник и достаточной длины диффузии (перемещения) спина. А чтобы спин смог преодолеть это расстояние в полупроводнике и достичь детектора, он должен обладать достаточным временем жизни. И желательно, чтобы всё это происходило при комнатной температуре (трудно себе представить домашний компьютер с процессором на базе спиновых транзисторов, который работает только при охлаждении его до температуры жидкого гелия!).

Человечество уже десять лет вкушает плоды спинтроники в виде компьютерных жестких дисков и прецизионных сенсоров магнитного поля, в которых использован эффект гигантского магнетосопротивления. Именно за открытие этого явления Альбер Фер и Петер Грюнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в этом году. Но создание спинового транзистора и спиновой памяти до сих пор оставалось неразрешимой задачей. Все предыдущие попытки с использованием дорогостоящих технологий и материалов (таких как GaAs, ZnO, CdS) не увенчались успехом: получавшиеся спиновые транзисторы либо работали только при очень низких температурах, либо работали при температурах, близких к комнатной, но имели при этом очень малую величину эффективности, либо позволяли передавать спиновый ток на очень незначительные расстояния, измеряемые сотнями нанометров.

РЕВОЛЮЦИЯ В СПИНТРОНИКЕ СВЕРШИЛАСЬ

И вот настал момент, когда с уверенностью можно сказать, что создан первый в мире спин-электронный транзистор, удовлетворяющий всем перечисленным выше критериям! Причем он создан на базе кремния, которому пророчили позицию аутсайдера в современной электронике.

Исследовательская группа в составе Иана Аппельбаума (Ian Appelbaum) и его аспиранта Бициня Хуана (Biqin Huang) из Делавэрского университета (University of Delaware), а также Доу Монмы (Douwe Monsma) из компании «Кембридж НаноТех» (Cambridge NanoTech) показала, что спин может быть транспортирован (перемещен) на марафонскую по меркам микроэлектроники дистанцию – 350 мкм!!! – сквозь беспримесную кремниевую подложку (использование беспримесной подложки позволяет добиться протекания «чистого» спинового тока в полупроводнике, что очень важно для точного детектирования результирующего сигнала).

Результаты этой пионерской работы были опубликованы 26 октября этого года в престижнейшем физическом журнале Physical Review Letters. До этого та же группа ученых впервые экспериментально продемонстрировала, что спиновый ток можно инжектировать (впрыскивать) в кремниевую подложку, управлять им и измерять его (см. статью в Nature за 17 мая 2007 года).

В работе, опубликованной 13 августа 2007 года в авторитетном журнале Applied Physics Letters, исследователи показали, как достичь очень высокой (на сегодняшний день) степени спиновой поляризации – 37%. Это означает, что от общего числа спинов, поступивших на инжектор, 37% однонаправленных спинов удалось доставить до детектора. Стопроцентной поляризации соответствует случай, когда все спины, выстроенные в выделенном направлении (чаще всего «спин-вверх»), дошли до детектора. Так как в реальных системах есть различного рода рассеивания и поглощения (система не идеальная), стопроцентной эффективности пока получить не удается.

Открытие подтверждает, что с кремния – рабочей лошадки современной электроники – можно не снимать упряжку еще многие десятилетия, используя его для создания спин-электронных устройств, таких как спиновый транзистор и спиновая память. Исследователи показали, что кремний уже сейчас может быть использован для совершения многочисленных манипуляций над спином на масштабе в несколько сот микрометров и в течение времени, достаточном для осуществления нескольких тысяч логических операций (десятки наносекунд), тем самым открывая широкую дорогу для спин электронных систем на базе кремния. Соединив в единую схему сотни или даже тысячи созданных спиновых чипов (рис. 1, справа), можно получить сверхбыстродействующее устройство для обработки информации, по своей эффективности превышающее современные процессоры в десятки раз!

КАК РАБОТАЕТ СПИНОВЫЙ ТРАНЗИСТОР

Методика экспериментов, вкратце, такова. Вначале авторы изготовили слоистую структуру, составленную из слоя ферромагнетика, слоя чистого кремния, затем второго слоя ферромагнетика, но уже другого, и наконец слоя кремния с примесями. К разным слоям этой структуры прикладывается специально подобранное напряжение, управляющее течением электронов. Поток электронов на входе неполяризован, но после прохождения ферромагнитной прослойки он приобретает поляризацию – то есть становится спиновым током. Эти электроны попадают в прослойку из чистого кремния, проходят достаточно большую дистанцию, затем попадают во второй ферромагнитный слой и выходят наружу.

Эксперименты показали, что при движении через кремний поляризация электронов частично сохраняется. Благодаря этому, изменяя взаимную ориентацию магнитных полей в двух слоях ферромагнетика, можно включать или выключать спиновый ток на выходе. Это позволяет для осуществления сверхбыстрых логических операций над информацией использовать два устойчивых состояния прибора, при которых ток либо есть (логическая «1»), либо нет (логический «0»), по аналогии с традиционным транзистором, для осуществления сверхбыстрых логических операций над информацией.

Вначале исследователи работали со слойками толщиной примерно 10 мкм, но в последней статье, опубликованной в Physical Review Letters, они увеличили промежуточный слой чистого кремния до 350 мкм – а это уже вполне макроскопический размер. Даже на таких больших расстояниях спиновый ток по-прежнему сохранялся. Таким образом, представленное устройство демонстрирует долгое время жизни спина электрона, за которое он способен преодолеть слой полупроводника толщиной до 350 мкм.

Вид транзистора, принцип действия и зонная диаграмма (диаграмма энергетических состояний барьеров, которые встречают электроны, при прохождении через вещества) показаны на рис. 2.

Рис. 2. а – изображение кремниевого спинового транзистора, b – схема работы и c – зонная диаграмма его компонентов. При постоянном напряжении на эмиттере Ve измерялся «первый коллекторный ток» Ic1 на NiFe-контакте и «второй коллекторный ток» Ic2 на индиевом контакте, осажденном на кремниевой подложке n-типа. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

На первом этапе при приложенном напряжении V_e неполяризованные электроны инжектируются из алюминиевого эмиттера (источника) в ферромагнитный слой Co₈₄Fe₁₆. Благодаря спин-зависимому рассеиванию электронов в магнитном слое, электроны с выделенным направлением спина (например, «спин-вниз») отсеиваются, так как направление намагниченности слоя Co₈₄Fe₁₆ не совпадает с направлением спинов. Отобранные электроны с однонаправленными спинами туннелируют через тонкий слой Al₂O₃. В данном случае туннельный барьер проходят только «горячие» электроны (с энергией, достаточно высокой для преодоления энергетических барьеров), создавая эмиттерный ток (ток источника). «Горячие» электроны нужны для увеличения эффективности прибора.

Пройдя через барьер Шоттки (потенциальный барьер, возникающий на границе металл–полупроводник) в беспримесный монокристаллический слой кремния, электроны занимают свободные места в зоне проводимости полупроводника и, под действием приложенного к нему напряжения V_c1, начинают упорядоченное движение. При этом возникает коллекторный ток I_c1 (ток на детекторе). После прохождения через 350-микрометровый слой кремния, спин-поляризованные электроны детектируются вторым спиновым транзистором. Ферромагнитный слой Ni₈₀Fe₂₀ регистрирует спины электронов, которые инжектируются в кремний n-типа (то есть кремний, основными носителями тока в котором являются электроны) для увеличения чувствительности детектора (в зоне проводимости n-типа кремния есть избыточные электроны, которые усиливают спиновый ток), создавая коллекторный ток I_c2. Спиновый ток зависит от относительной намагниченности обоих ферромагнитных слоев.

Рис. 3. Механизм работы инжектора и детектора. а – слои Co84Fe16 и Ni80Fe20 намагничены параллельно, b – антипараллельно (emmiter – источник тока, F – первый и второй ферромагнитные слои соответственно, silicon – кремниевая прослойка, collector – приемник спинового тока).

На рис. 3 показан механизм работы детектора. В случае параллельного направления намагниченностей в слоях Co₈₄Fe₁₆ и Ni₈₀Fe₂₀ (рис. 3а) ток выше, чем при антипараллельном направлении намагниченностей (рис. 3b). Первый режим функционирования детектора можно сравнить с футбольным матчем без вратаря: все мячи, посланные в сетку ворот, оборачиваются голом. Второму же режиму соответствует игра с очень хорошим голкипером, отражающим все летящие в ворота мячи.

Следует отметить, что при комнатной температуре транзистор всё же имеет не очень высокую эффективность работы. Хорошие результаты работы прибор показал при температуре –73°C (150 K). Так что исследователям еще нужно поработать над увеличением температурных интервалов функционирования транзистора. Авторы уверены, что с помощью их устройства вполне достижима стопроцентная спиновая поляризация, при которой все инжектированные электроны имеют ориентацию либо «спин-вверх», либо «спин-вниз» . Высокая степень поляризация позволяет более точно определять величину спинового тока, избавляя логическое устройство (в данном случае подразумевается конечное устройство на базе массива из спиновых транзисторов) от ошибок при анализе и обработке информации.

Итак, создание революционного устройства – спинового транзистора на кремнии, способного перемещать спины с выделенным направлениям на сотни микрометров в пространстве, – состоялось, ознаменовав тем самым старт для создания сверхбыстрой и низко энергопотребляющей электроники нового поколения. Это первое в мире спин-электронное устройство на кремнии, имеющее высокую степень спиновой поляризации при температуре, близкой к комнатной. По своей важности это событие может быть сравнимо с открытием классического полупроводникового транзистора шесть десятилетий назад. Нам остается только пожелать исследователям новых научных успехов и ждать появления электронной техники нового поколения.
Источник: Biqin Huang, Douwe J. Monsma, Ian Appelbaum. Coherent Spin Transport through a 350 Micron Thick Silicon Wafer // Physical Review Letters 99, 177209 (2007); текст доступен также как arXiv:0706.0866.

См. также:
1) Ian Appelbaum, Biqin Huang, Douwe J. Monsma. Electronic measurement and control of spin transport in silicon // Nature (2007). V. 447. P. 295 (текст доступен также как 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 доступен также как arXiv:0705.4260.

Александр Самардак

Источник: «Элементы»