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Dispositivi ad Effetto Tunnel RisonanteDispositivi ad Effetto Tunnel Risonante per per Applicazioni alla Spintronics Applicazioni alla Spintronics Università

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Presentazione sul tema: "Dispositivi ad Effetto Tunnel RisonanteDispositivi ad Effetto Tunnel Risonante per per Applicazioni alla Spintronics Applicazioni alla Spintronics Università"— Transcript della presentazione:

1 Dispositivi ad Effetto Tunnel RisonanteDispositivi ad Effetto Tunnel Risonante per per Applicazioni alla Spintronics Applicazioni alla Spintronics Università degli Studi di Firenze Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Sara Bernardis Firenze, 28 Aprile 2005 Prof. G. Manes Prof. G. Frosali Ing. A. Cidronali Prof. G. Manes Prof. G. Frosali Ing. A. Cidronali Tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica Microelectronics Laboratory Microelectronics Laboratory

2 Obiettivi Parte Teorica Stato dellarte raggiunto dalla SPINTRONICS Stato dellarte raggiunto dalla SPINTRONICS con analisi dei fenomeni di Meccanica Quantistica coinvolti Diodo tunneling risonante interbanda costituito da una eterostruttura asimmetrica a doppia barriera di potenziale realizzata dalla successione di semiconduttori InAs/GaSb/AlSb per implementare un FILTRO DI SPIN Parte Sperimentale modello dispositivo modello dispositivo simulazione numerica simulazione numerica

3 Sommario Analisi Fisica del filtro di spin con effetto Rashba Spintronics Spintronics Spin: definizione e proprietà Spin: definizione e proprietà Concetti fondamentali di Meccanica Quantistica Concetti fondamentali di Meccanica Quantistica Effetto Rashba Effetto Rashba Analisi del Dispositivo ed Implementazione Numerica Tunneling risonante ed applicazioni Tunneling risonante ed applicazioni Analisi numerica Analisi numerica Filtri di spin a tunneling risonante con effetto Rashba Filtri di spin a tunneling risonante con effetto Rashba Discussione dei risultati Discussione dei risultati

4 SpintronicsSpintronics SPIN Transport electrONICS Definizione: nuovo paradigma su cui si concentra la ricerca dell'elettronica di ultima generazione basata su dispositivi che utilizzano lo spin dell'elettrone per controllare il movimento di carica elettrica. Il grado di libertà appartenente allo spin sostituisce quello proprio della carica elettrica. Come ulteriore obiettivo, questa branca dell'elettronica si prefigge quello di realizzare dispositivi la cui azione si basi direttamente ed esclusivamente sullo spin, con lo scopo di immagazzinare ed elaborare dati senza alcuna necessità di spostare la carica. NATURE vol APRIL ELETTRONICAELETTRONICA Informazione associata alla CORRENTE Informazione associata alla CORRENTE Controllo del flusso di carica con campo elettrico Controllo del flusso di carica con campo elettricoSPINTRONICS Informazione associata allo SPIN Informazione associata allo SPIN Controllo dello spin degli elettroni

5 Spintronics Scattering elettroni Spin-injection CALTECH (Xavier Cartoixà) CALTECH (Xavier Cartoixà) Caratteristiche, vantaggi e svantaggi nel confronto con lelettronica tradizionale: Maggior velocità di elaborazione dati Minor potenza richiesta Tecnologie compatibili con quelle tradizionali Non-volatilità Maggior densità di integrazione Dispositivi che operano con fasci di luce polarizzata Elementi di memoria che si trovano in due stati distinti contemporaneamente

6 Spin1925PostulatoSPIN1925PostulatoSPIN 1928 Teoria di Dirac 1928 MOMENTO ANGOLARE INTRINSECO MOMENTO ANGOLARE INTRINSECO (non esiste il corrispettivo macroscopico) conservazione momento angolare totale; indipendente dal moto della particella; quantità invariante (per lelettrone ); spin e magnetismo; applicazioni ingegneristiche dello spin: Implementazione di dispositivi: 1. MTJ ( Magnetic Tunnel Junction ) La corrente dipende dallallineamento dello spin; sfruttano listeresi magnetica per immagazzinare dati e la magnetoresistività per leggerli;. STRUTTURE A SEMICONDUTTORE (campo nullo). 2. STRUTTURE A SEMICONDUTTORE (campo nullo). Implementazione di dispositivi: 1. MTJ ( Magnetic Tunnel Junction ) La corrente dipende dallallineamento dello spin; sfruttano listeresi magnetica per immagazzinare dati e la magnetoresistività per leggerli;. STRUTTURE A SEMICONDUTTORE (campo nullo). 2. STRUTTURE A SEMICONDUTTORE (campo nullo).

7 Spin Problematica di progetto: FILTRAGGIO delle componenti di spin. Esperimento di Stern-Gerlach: prova sperimentale del fenomeno di QUANTIZZAZIONE SPAZIALE del momento angolare di spin

8 Effetto Rashba Definizione: Spin-splitting presente nelle sottobande di conduzione quando la sequenza degli strati che formano leterostruttura non è simmetrica (SIA) Fenomeni fisici coinvolti: Spin-splitting SIA (Structural Inversion Asymmetry) Interazione spin-orbita Spin-splitting a campo nullo BIA (Bulk Inversion Asymmetry) Degenerazione di spin

9 Effetto Rashba Analisi fisica: eterostruttura a semiconduttori (InAs/GaSb/AlSb) tali da permettere l'esistenza di SPIN-SPLITTING A CAMPO NULLO EFFETTO RASHBA per ottenere spin-splitting. TUNNELING INTERBANDA RISONANTE per ottenere il filtraggio della componente di spin.

10 Scelta dei semiconduttori: InAs/GaSb/AlSb perché semiconduttori con struttura del cristallo a ZINCOBLENDA Conseguenze fisiche: ASIMMETRIA DINVERSIONE NELLO SPAZIO Rimozione della DEGENERAZIONE DI SPIN per gli elettroni di conduzione nei livelli energetici confinati all'interno della buca di potenziale Esiste SPIN SPLITTING A CAMPO NULLO SIA BIA &

11 Indagine quantistica del principio di funzionamento del filtro degenerazione di spin se si verifica la condizione di 1. simmetria dinversione nel tempo; 2. simmetria dinversione nello spazio. 1. asimmetria dinversione nel tempo con SPIN SPLITTING 2. asimmetria dinversione nello spazio con SIA e BIA

12 Implementazione di SIA e BIA CONTROLLO DI GATE per transistor ad effetto spin CONTROLLO DI GATE per transistor ad effetto spin SIA ( Structural Inversion Asimmetry ) Per i livelli di conduzione relativi ad una buca di potenziale asimmetrica, realizzata con semiconduttori a struttura a zincoblenda si ha uno spin-splitting, a campo magnetico nullo, che si esplica attraverso la presenza di due contributi: BIA ( Bulk Inversion Asimmetry ) EFFETTORASHBAEFFETTORASHBA contributo legato allasimmetria nel potenziale di confine, macroscopico delleterostruttura; dipende dalla geometria del dispositivo; si manifesta sotto forma di CAMPO ELETTRICO; è interpretabile come unINTERAZIONE SPIN-ORBITA degli elettroni vincolati allinterno della buca di potenziale quantistica;

13 Tunneling risonante interbanda TunnelingTunneling fenomeno esclusivamente quantistico; attraversamento barriera di potenziale; probabilità di transizione non nulla; implementazione con DIODO TUNNEL. Tunneling risonante Strutture: una buca e due barriere; più valori di energia; Implementazione con DBQW, con uno o più valori distinti di energia per tunneling. CONDIZIONE DI RISONANZA Per lelettrone incidente la barriera diventa trasparente. CONDIZIONE DI RISONANZA Per lelettrone incidente la barriera diventa trasparente. Variando la struttura delle barriere può cambiare il numero delle possibili condizioni di risonanza, ma esiste sempre almeno un valore di energia E=Eo, nellintervallo (U; Uo), che soddisfa la condizione di risonanza; tale valore corrisponde a quello del primo stato legato dentro la buca. Variando la struttura delle barriere può cambiare il numero delle possibili condizioni di risonanza, ma esiste sempre almeno un valore di energia E=Eo, nellintervallo (U; Uo), che soddisfa la condizione di risonanza; tale valore corrisponde a quello del primo stato legato dentro la buca. 1. RTD (Resonant Tunneling Diode) 2. RITD (Resonant Interband Tunneling Diode) Tunneling Diode) 2. RITD (Resonant Interband Tunneling Diode) Tunneling Diode)

14 Modellizzazione del filtro di spin Ipotesi di progetto: Diodo tunneling risonante interbanda (RITD) costituito da uneterostruttura asimmetrica a doppia barriera di potenziale, realizzata dalla successione dei semiconduttori InAs/GaSb/AlSb per implementare un filtro di spin; si considera soltanto la componente relativa al SIA (effetto Rashba); si analizza il comportamento degli elettroni iniettati nella struttura in una sola banda denergia, che si suppone essere quella di conduzione Il fenomeno di spin-splitting è presente solo in banda di conduzione. Linterazione spin-orbita non accoppia le due sottobande di conduzione, che si distinguono tra loro in base allo spin. MEF (Multiband Envelope Model) per la simulazione del fenomeno di trasporto quantistico in dispositivi ad effetto tunnel risonante EMA (Effective Mass Approximation) per calcolare la struttura a bande (basata sul metodo kp del modello di Kane)

15 Implementazione numerica delleffetto Rashba Lequazione di Rashba è esprimibile nella forma: con coefficiente di Rashba, che misura lintensità di accoppiamento spin-orbita e che è implicitamente proporzionale al campo elettrico. Dalle ipotesi formulate, segue che il modello del MEF a quattro bande (valenza e conduzione, ciascuna raddoppiata dalla presenza dello spin), è approssimato con due modelli MEF distinti, ciascuno a due bande (valenza e conduzione), che tengono conto dello spin separatamente (uno per spin up ed uno per spin down).

16 Discussione dei risultati Assenza di risonanza ( spin down ) Per valori di energia << di quello proprio del primo stato di risonanza, la banda di valenza non è eccitata e non permette passaggio di elettroni oltre leterostruttura. La situazione è identica per spin up e spin down perché esiste DEGENERAZIONE. Condizione di risonanza ( spin up ) Quando gli autostati dellenergia hanno valore prossimo a quello del primo stato di risonanza, gli autostati risonanti di valenza (STATI PONTE) sono eccitati e gli elettroni dotati di spin up sono autorizzati ad attraversare leterostruttura.

17 Discussione dei risultati Coefficiente di trasmissione Landamento è circa nullo dovunque; alla risonanza si ha un picco, con valore max 15% del totale; esistono problemi legati a cancellazione tra le due sottobande cancellazione nella stessa sottobanda problemi di natura numerica. spin downspin up Prova del passaggio dei soli elettroni dotati di spin up: sono gli unici ad essere autorizzatiad attraversare leterostruttura. Prova del passaggio dei soli elettroni dotati di spin up: sono gli unici ad essere autorizzatiad attraversare leterostruttura.

18 Conclusioni ricerca in ambito spintronics; verifica del modello proposto. …e sviluppi futuri Indagine teorica fisica (Meccanica Quantistica) Indagine teorica fisica (Meccanica Quantistica) Implementazione dispositivi commercializzabili Implementazione dispositivi commercializzabili


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