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

per implementare un FILTRO DI SPIN Obiettivi Parte Teorica Stato dell’arte 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 simulazione numerica

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

SPIN Transport electrONICS Spintronics 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. 404 27 APRIL 2000 www.nature.com ELETTRONICA Informazione associata alla CORRENTE Controllo del flusso di carica con campo elettrico SPINTRONICS associata allo SPIN Controllo dello spin degli elettroni

Spintronics CALTECH Spin-injection Scattering elettroni Caratteristiche, vantaggi e svantaggi nel confronto con l’elettronica 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 Scattering elettroni Spin-injection CALTECH (Xavier Cartoixà)

Spin MOMENTO ANGOLARE INTRINSECO 1925 Postulato SPIN 1928 Teoria di Dirac MOMENTO ANGOLARE INTRINSECO (non esiste il corrispettivo macroscopico) conservazione momento angolare totale; indipendente dal moto della particella; quantità invariante (per l’elettrone ); spin e magnetismo; applicazioni ingegneristiche dello spin: Implementazione di dispositivi: 1. MTJ ( Magnetic Tunnel Junction ) La corrente dipende dall’allineamento dello spin; sfruttano l’isteresi magnetica per immagazzinare dati e la magnetoresistività per leggerli; 2. STRUTTURE A SEMICONDUTTORE (campo nullo).

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

Effetto Rashba Definizione: Fenomeni fisici coinvolti: Spin-splitting presente nelle sottobande di conduzione quando la sequenza degli strati che formano l’eterostruttura 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

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.

Scelta dei semiconduttori: InAs/GaSb/AlSb perché semiconduttori con struttura del cristallo a ZINCOBLENDA Conseguenze fisiche: ASIMMETRIA D’INVERSIONE 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 &

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

Implementazione di SIA e BIA 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 ) EFFETTO RASHBA contributo legato all’asimmetria nel potenziale di confine, macroscopico dell’eterostruttura; dipende dalla geometria del dispositivo; si manifesta sotto forma di CAMPO ELETTRICO; è interpretabile come un’INTERAZIONE SPIN-ORBITA degli elettroni vincolati all’interno della buca di potenziale quantistica; CONTROLLO DI GATE per transistor ad effetto spin

Tunneling risonante interbanda 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 l’elettrone 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, nell’intervallo (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)

Modellizzazione del filtro di spin Ipotesi di progetto: Diodo tunneling risonante interbanda (RITD) costituito da un’eterostruttura 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 d’energia, che si suppone essere quella di conduzione Il fenomeno di spin-splitting è presente solo in banda di conduzione. L’interazione 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)

Implementazione numerica dell’effetto Rashba L’equazione di Rashba è esprimibile nella forma: con coefficiente di Rashba, che misura l’intensità 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).

Condizione di risonanza 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 l’eterostruttura. La situazione è identica per spin up e spin down perché esiste DEGENERAZIONE. Condizione di risonanza ( spin up ) Quando gli autostati dell’energia 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 l’eterostruttura.

Discussione dei risultati Coefficiente di trasmissione L’andamento 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 down spin up Prova del passaggio dei soli elettroni dotati di spin up: sono gli unici ad essere “autorizzati”ad attraversare l’eterostruttura.

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