Спинтроника — новое направление в микроэлектронике, базирующееся на использовании такой квантово-механической характеристики электронов, как спин. Устройства, созданные на ее основе, обещают решить многие и существующие, и ожидаемые в ближайшем будущем проблемы традиционной микроэлектроники: энергонезависимость, уменьшение энергопотребления, увеличение плотности логических элементов и скорости обработки данных. Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями микропроцессоров, микроэлектроника в основном использует только одно свойство электрона — его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику — собственный угловой момент, или спин (и связанный с ним магнитный момент), — которая вплоть до недавнего времени не пользовалась особым вниманием разработчиков и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics — от spin transport electronics или spin-based electronics). Напомним, что во внешнем магнитном поле собственный магнитный момент электрона, обусловленный спином, ориентируется либо параллельно вектору магнитной индукции (вверх), либо антипараллельно (вниз). В устройствах, построенных на спиновом эффекте, используются, в частности, ферромагнетики. Поэтому прежде чем переходить к их (устройств) более детальному рассмотрению, опишем вкратце магнитные свойства этих материалов.

Ферромагнетиками называются вещества, в которых собственное (внутреннее) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превосходить вызвавшее его внешнее магнитное поле. Это объясняется существованием так называемого обменного взаимодействия, связанного с перекрытием волновых функций электронов, принадлежащих соседним атомам кристаллической решетки, а также нескомпенсированных спиновых магнитных моментов валентных электронов. Именно обменное взаимодействие заставляет спины электронов ориентироваться параллельно или антипараллельно в зависимости от того, какое из состояний является энергетически более выгодным. В первом случае говорят о ферромагнетизме, а во втором — об антиферромагнетизме.

При температуре ниже так называемой точки Кюри ферромагнетик разбивается на домены самопроизвольной намагниченности. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности разных доменов произвольны и результирующая намагниченность всего тела может быть равной нулю. Во внешнем магнитном поле векторы намагниченности ориентируются в преимущественном направлении, создавая сильное внутреннее магнитное поле.

Магнитную структуру кристалла антиферромагнетика можно рассматривать как состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешеток численно равны, то спонтанная намагниченность не возникает, если нет, то она появляется (ферримагнетизм). Такими свойствами обладают, например, ферриты. При низких температурах магнитная восприимчивость антиферромагнетиков ничтожно мала, т. е. они практически не намагничиваются во внешнем магнитном поле.

Устройства, использующие спин-эффекты

Начало новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance — GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные поля в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны.

В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 1. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" — его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5—10 % выше, чем при параллельных.

Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction — MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 2). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20—40%.

Явления в полупроводниках традиционно описывались с квантово-механических позиций. Пришло время и для специальной теории относительности, поскольку в 1990 г. двое американских ученых, Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das), рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора (spin Field-Effect Transistor — spin FET), основанного на релятивистском эффекте. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом (рис. 3). Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1 % от скорости света в вакууме. Величина тока регулируется посредством приложенного к затвору напряжения. Фокус состоит в следующем. Если перейти в неподвижную систему отсчета, связанную с электроном, то, согласно специальной теории относительности, в ней появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой
,
где — скорость движения электронов, — напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля (таким образом, скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается.

Это перспективные разработки, а если вернуться к эффекту GMR, то следует отметить, что сфера его применения расширяется. Кроме прописки в технологиях чтения жестких дисков, спиновые клапаны на GMR используются в гальванических изоляторах и MRAM (Magneto resistive RAM).

GMR-базированный гальванический изолятор выполняет ту же функцию, что и оптоэлектронный, обеспечивая развязку цепей по питанию и земляной шине. Его основными элементами являются плоская катушка и GMR-сенсор, встроенные в интегральную схему (рис. 4). Для передачи сигнала из одной цепи в другую по катушке пропускается ток. Созданное им магнитное поле воздействует на GMR-сенсор. Такой изолятор работает в 10 раз быстрее современных оптических и это еще не предел.

На рис. 5 приведена схема ячейки магниторезистивной памяти (Motorola), основанной на магнитном туннельном переходе. Для хранения информации MRAM использует явление гистерезиса, а для считывания — GMR. Она функционирует подобно полупроводниковой статической памяти (SRAM), однако ее важной особенностью является способность сохранять данные при выключении питания. Если такую память использовать в персональных компьютерах, то они не будут требовать выполнения довольно длительной процедуры загрузки при включении.

Рис. 5. Ячейка MRAM

Основными элементами ячейки памяти MRAM являются взаимно перпендикулярные разрядная (bit line) и числовая (word line) шины, между которыми располагается структура MTJ. При операции записи (рис. 5а) по шинам пропускается электрический ток, создающий магнитное поле, которое меняет направление намагниченности в свободном ферромагнетике. При операции чтения (рис. 5б) открывается развязывающий транзистор и ток проходит через структуру MTJ. Изменение сопротивления ячейки может быть интерпретировано как двоичные 0 или 1 . Такая память работает в 1000 раз быстрее традиционной EEPROM и не имеет ограничения по количеству циклов перезаписи.

Перспективные направления

Общим для всех устройств, описанных выше, является то, что в их основе лежит металл. Существенный недостаток такого подхода — невозможность усиливать сигналы. Очевидные металлические аналоги традиционным полупроводниковым транзисторам, в которых отток электрона из базы n-p-n транзистора позволяет десяткам других поступать от эмиттера в коллектор, сегодня отсутствуют. Найти материалы, которые обладали бы как свойствами ферромагнетиков, так и полупроводников, — давнишняя мечта исследователей. Но она труднодостижима: уж очень велико различие в кристаллической структуре и характере химических связей. Ферромагнитные полупроводники, с одной стороны, были бы источниками спин-поляризованных электронов, а с другой — легко интегрировались бы с традиционными полупроводниковыми устройствами. Идеальный ферромагнитный полупроводник должен иметь точку Кюри (температура, при которой ферромагнетик теряет свои свойства) выше комнатной температуры и допускать создание зон с n — и p -проводимостью в одном монокристалле. Сегодня большое внимание привлекают так называемые разбавленные магнитные полупроводники, сплавы, в которых некоторые атомы в случайном порядке заменяются атомами с магнитными свойствами, например Mn 2+ . Имеются теоретические предсказания, что для некоторых классов таких материалов точка Кюри будет выше комнатной температуры.

Несмотря на то что исследования по спинтронике проводятся во многих странах, до практических результатов еще достаточно далеко. Предстоит изучить особенности переноса спин-поляризованных электронов в различных материалах и через поверхности раздела, а также научиться генерировать их в большом количестве.

Спинтроника является одним из наиболее динамично развивающихся научно-технических направлений, призванным в недалеком будущем решить проблемы, с которыми сталкивается современная микроэлектроника. Термин «спинтроника» появился впервые в 1998 году в совместном сообщении лабораторий Белла и Йельского университета (США), в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. Таким образом, согласно их определению, спинтроника – это научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Согласно другим определениям, спинтроника представляет собой:

– электронику на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин-зависимые эффекты;

Науку об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях;

Раздел квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамеагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

Физикам давно было известно, что электроны, перемещаясь, переносят с собой не только электрический заряд, но и свой спин, с которым связаны собственный магнитный и механический моменты электрона. Однако до недавнего времени этот факт никак не использовался, поскольку в обычных (не ферромагнитных) металлах и полупроводниках одновременно движутся множество электронов с различными случайными ориентациями спина, поэтому суммарный среднестатистический перенос спинов практически равен нулю. Даже в не намагниченных ферромагнитных металлах, в которых магнитные моменты разных доменов ориентированы случайным образом, перенос спинов был незаметным. Лишь после открытия гигантского, а также туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов ситуация изменилась. Были разработаны магниторезистивные считывающие головки, в которых использовался открытый в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Появилась магниторезистивная оперативная память, которая стала еще одним подтверждением хороших перспектив спинтроники. Важную роль в становлении спинтроники сыграло и присуждение в 2007 году Нобелевской премии по физике А. Ферту (Франция) и П. Грюнбергу (Германия) за открытие эффекта ГМС.

Спиновые эффекты, связанные с спин-поляризованным транспортом электронов, возникают, когда в электропроводящем материале появляется спиновый дисбаланс заселенности уровня Ферми. Такой дисбаланс обычно присутствует в ферромагнитных материалах, у которых плотности состояний N(E) для электронов с различными спинами практически идентичны, однако эти состояния существенно различаются по энергии, как схематически показано на рис. 3.60 (здесь и далее под различными спинами электрона понимаются различные проекции спина на ось намагничивания). Без внешнего магнитного поля концентрация электронов со «спином вверх» и «спином вниз» одинаковая. В присутствии магнитного поля энергии электронов со спином по полю («спином вверх») и против поля («спином вниз») сдвигаются. В результате концентрация электронов с различной ориентацией спина вблизи энергии Ферми E F разная.

Рис. 3.60. Плотности состояний электронов с различными спинами в немагнитном (а)

и ферромагнитном (б) материалах

Заселенность энергетических уровней электронами с разным спином определяет спиновую поляризацию инжектируемых из такого материала электронов и особенности транспорта носителей заряда через него. Спиновая поляризация электронов в материале определяется как отношение разности концентраций электронов с различными спинами (n и n ↓) к их общей концентрации. В ферромагнитных материалах максимальная спиновая поляризация может достигать нескольких десятков процентов, но есть и такие сплавы, в частности, т. н. сплавы Хейслера, у которых спиновая поляризация составляет практически 100 %.

Электрический ток в твердотельных структурах, составленных из материалов с различной спиновой поляризацией, зависит от спиновой поляризации носителей заряда и спиновой поляризации областей, через которые эти носители движутся. Электроны, инжектированные с определенным спином, могут занять в коллекторе только вакантные места с такой же ориентацией спина. Электрон, первоначально спин-поляризованный в инжектирующем электроде, по мере движения в коллекторе в силу процессов рассеяния изменяет как свой импульс, так и спин. Для практических применений важно знать, как долго электрон «помнит» свою спиновую ориентацию. В качестве характеристики «спиновой памяти» используют среднее расстояние, проходимое электроном до изменения своего спина. Это расстояние называют длиной спиновой релаксации. Оценки показывают, что ее величина превышает 100 нм.

Наряду с ферромагнитными материалами значительные перспективы практического использования имеют полупроводники, легированные до высоких уровней концентации (несколько атомных процентов) магнитных примесей. Их называют разбавленными магнитными полупроводниками. Исходными материалами являются полупроводниковые соединения А 3 В 5 и А 2 В 6 , а также кремний и германий. В качестве магнитной примеси чаще всего используют марганец. В таких материалах удается получить спиновую поляризацию носителей заряда вплоть до 80 %, хотя температура Кюри для большинства исследованных разбавленных магнитных полупроводников составляет величину порядка 100 К (выше температуры Кюри, как известно, ферромагнитные свойства материала исчезают).

Следует отметить, что для приборных применений разбавленный магнитный полупроводник должен иметь не только высокую спиновую поляризацию носителей заряда, но и температуру Кюри выше комнатной, а также допускать создание областей с n- и р -типом проводимости. В кремнии n -типа спиновая поляризация электронов при комнатной температуре не превышает 5 %. Тем не менее, большая длина спиновой релаксации (для электронов она равна 230 нм, для дырок – 310 нм) делает этот традиционный в твердотельной электронике полупроводник вполне пригодным для создания на его основе электронных приборов на спиновых эффектах. Ферромагнитные свойства обнаружены также в низкоразмерных структурах из оксидов ряда металлов (ZnO, SnО 2 , In 2 О 3 , А1 2 О 3 , TiО 2). Основной причиной ферромагнетизма в них является нестехиометрия по кислороду, особенно в их приповерхностных областях толщиной около 7 – 30 нм.

В спин-поляризованных материалах состояния с преобладающим спином управляются намагниченностью этих материалов. Если внешним магнитным полем намагниченность изменяется на противоположную, то преобладающая ориентация спинов также меняется на противоположную. При инжекции спин-поляризованных электронов в материал с отличной от нуля намагниченностью, следовательно, и со спиновой поляризацией, этот материал может вести себя как проводник или как изолятор – в зависимости от направления намагниченности материала и ориентации спинов инжектированных электронов. При одинаковом направлении спинов инжектированных электронов и электронов материала обеспечивается наивысшая проводимость. Противоположное направление спинов препятствует прохождению электронов через материал.

Спиновые эффекты, используемые в спинтронных приборах, в явном виде проявляются через транспортные явления в электронных структурах, помещенных в магнитное поле. Для их реализации необходимо осуществить ориентацию спинов. Эта задача в настоящее время решается двумя способами: с помощью оптической ориентации и с использованием спиновой инжекции. Оптическая ориентация осуществляется при поглощении полупроводником света с круговой поляризацией. Напомним, что квант электромагнитного излучения (фотон) имеет спин, равный +1, если вектор напряженности электрического поля вращается по часовой стрелке, и –1 в противоположном случае. При поглощении фотона и переходе электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости спин фотона прибавляется к полному моменту импульса электрона, изменяя его соответственно на +1 или –1. Это может привести в определенных условиях к различию в концентрации электронов в зоне проводимости со спином вдоль направления распространения света и с противоположным направлением.

Другим способом управления спиновой поляризацией является спиновая инжекция. Известно, что в ферромагнетиках существует спонтанная равновесная спиновая поляризация, При протекании тока между ферромагнетиком и немагнитным материалом через контакт происходит перенос спина. В результате в области немагнитного материала вблизи контакта создается избыточная концентрация электронов с ориентацией «спин вверх». Такое явление называется спиновой аккумуляцией. Это состояние является неравновесным для немагнитного проводника, поскольку в равновесном состоянии концентрации электронов со «спином вверх» и «спином вниз» равны. Процесс установления равновесного состояния должен приводить к релаксации спинов и уменьшению спиновой поляризации. Поскольку неравновесные электронные спины живут относительно долго (порядка наносекунд), спины успевают переместиться на значительное расстояние от границы с ферромагнетиком. Весь этот процесс очень напоминает процесс рекомбинации неосновных носителей при инжекции их через электронно-дырочный переход в полупроводнике.

Как уже отмечалось, огромное влияние на становление спинтроники оказал обнаруженный в 1988 году эффект гигантского магнетосопротивлении (ГМС). Было давно известно, что электрическое сопротивление материалов изменяется под действием магнитного поля. Относительное изменение сопротивления при наличии магнитного поля и при его отсутствии и называется магнетосопротивлением. В немагнитных проводниках, таких как медь или золото, влияние магнитного поля на сопротивление очень мало. В ферромагнитных материалах величина магнитосопротивления более заметна. Это объясняется тем, что в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля имеются области спонтанной намагниченности – магнитные домены, внутри которых магнитные моменты параллельны. При включении магнитного поля, величина которого для каждого материала индивидуальна, эти микроскопические магнитные домены исчезают, и весь образец превращается в единый домен, т. е. намагничивается, что и приводит к изменению его электрического сопротивления. Однако величина магнетосопротивления в ферромагнитных материалах достигает всего лишь нескольких процентов. В случаях проявления эффекта ГМС уменьшение сопротивления под воздействием магнитного поля может достигать сотен процентов (при низких температурах).

Эффект ГМС был обнаружен в многослойных тонкопленочных структурах, составленных из чередующихся слоев немагнитного материала между противоположно намагниченными ферромагнитными материалами (рис. 3.61). Для создания таких структур используют различные комбинации материалов, например, железо-хром, кобальт-медь, пермаллой-серебро и др. Суммарный эффект зависит от количества слоев – он усиливается с ростом числа слоев и достигает своего максимума примерно для 100 слоев (при толщине каждого слоя в несколько нанометров).

Рис. 3.61. Многослойная структура из ферромагнитного и неферромагнитного материалов

при отсутствии магнитного поля (а) и при его наличии (б)

Эффект ГМС наблюдается, когда электрический ток пропускают как в плоскости слоев, так и перпендикулярно им. Рассмотрим для примера тонкопленочную структуру с плоскопараллельной геометрией протекающих токов. Ферромагнитные слои с противоположной намагниченностью могут быть получены осаждением в магнитных полях, имеющих противоположную ориентацию. В отсутствие магнитного поля сопротивление, измеряемое током, проходящим в плоскости слоев, будет самым большим, когда магнитные моменты в чередующихся слоях противоположно направлены. При этом электроны со спином, соответствующим намагниченности одного слоя, не могут перемещаться по материалу с противоположной намагниченностью, поскольку в нем отсутствуют приемлемые для них энергетические состояния. Это приводит к отражению электронов от границы таких слоев и вынуждает ток течь внутри узких каналов (рис. 3.62).

Рис. 3.62. К объяснению эффекта гигантского магнетосопротивления: АФМ – антиферромагнитная конфигурация слоев, ФМ – ферромагнитная конфигурация слоев

С увеличением напряженности внешнего магнитного поля магнетосопротивление постепенно уменьшается. Это связано с тем, что магнитное поле, которое имеет тенденцию выравнивать моменты магнитных параллельных слоев, должно преодолеть обменную связь, которая предпочитает антипараллельное расположение моментов (для данной толщины немагнитного слоя). Полное выстраивание магнитных моментов в одном направлении достигается только в области поля насыщения, равного по величине полю обменной связи. Это будет соответствовать минимальному сопротивлению структуры.

Кроме эффекта ГМС в спинтронике большое внимание уделяется другому эффекту – колоссальному магнетосопротивлению (КМС), открытому в 1994 году в манганите лантана. В отличие от ГМС здесь никаких слоистых структур создавать не требуется. Эффект наблюдается в сильных магнитных полях, достигая максимальных значений при напряженности поля на уровне единиц тесла. Явление получило свое название потому, что при определенных условиях его величина существенно превышает величину ГМС, достигая тысяч и десятков тысяч процентов. КМС обычно наблюдается в узком интервале температур вблизи температуры Кюри. Он наиболее изучен для манганитов лантана и редкоземельных элементов (R), типа R 1–x A x MnO 3 , где через A обозначены атомы K, Na, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb. Однако, в последнее время его наблюдали и для некоторых других сложных оксидов переходных металлов. Материалы с КМС могут быть использованы для создания датчиков магнитного поля и функциональных элементов спинтроники.

Важным направлением спинтроники является создание приборных структур, принцип действия которых основан на явлении магнитного туннельного перехода. Туннелирование между двумя по-разному намагниченными ферромагнитными слоями, разделенными тонким диэлектриком (обычно это оксид алюминия Al 2 O 3 толщиной менее 2 нм), предполагает зависимость туннельного тока от магнитного поля. В ферромагнитном материале энергия электронов со «спином вверх» и «спином вниз» различная, поэтому и вероятность их туннелирования будет отличаться. Если магнитные моменты смежных ферромагнитных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала.

Хотя эффект спин-зависимого туннелирования впервые был продемонстрирован еще в 1975 году, но для его реализации требовались температуры жидкого гелия, поэтому особого внимания на тот момент к нему не проявили. Ситуация изменилась в 1995 году, когда его удалось продемонстрировать при комнатной температуре. Поначалу, правда, спины в ферромагнитных слоях удавалось переключать с параллельного на антипараллельное состояние лишь для 12 – 18 % электронов, чего для практических устройств было не достаточно. Однако уже к концу 1990-х годов это соотношение удалось повысить до 70 %. К середине 2000-х годов новейшие технологии позволили добиться еще более высоких показателей, что открыло путь к коммерческому выпуску магниторезистивной оперативной памяти (MRAM).

MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти. Так, например, время выборки данных у MRAM-памяти может составлять 10 нс, что в пять раз меньше, чем у flash-памяти, а время записи порядка 2 нс, что на три порядка меньше, чем у flash-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти вдвое меньше, чем у flash- и DRAM-памяти. Принцип записи лог. 1 и лог. 0 в MRAM иллюстрирует рис. 3.63. Два слоя ферромагнитного металла разделены тонким слоем изолирующего материала (оксид алюминия или оксид магния). Вероятность туннелрования электронов через диэлектрический слой зависит от их ориентации спинов. В случае параллельной ориентации (верхний рисунок) происходит запись лог. 1, в случае антипараллельной (нижний рисунок) производится запись лог. 0.

Рис. 3.63. К объяснению работы магниторезистивной оперативной памяти

Одна из сложнейших задач при разработке спинтронных приборов – это контроль спиновой поляризации электронного тока. Чтобы полностью контролировать степень свободы спина в полупроводниках, желательно конструировать элементы спинтроники или приборы на их основе, которые могут эффективно инжектировать и распознавать электроны с определенным спином. Таким образом, практическое значение имеют полупроводниковые структуры с высоким коэффициентом спин-инжекции, большим временем спин-релаксации, спин-ориентацией, регулируемой напряжением на управляющем электроде (затворе), и высокой спин-чувствительностью для детектирования носителей заряда с определенным спином. Кроме того, спин-инжекция и спин-детектирование предоставляют возможность записи и считывания данных в полупроводниковых квантовых точках, которые являются необходимой составной частью твердотельных квантовых компьютеров.

Важным обстоятельством является то, что процесс переворота спина (поляризация) не связан со значительными затратами энергии и происходит очень быстро – за несколько пикосекунд. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не изменяется, поэтому процесс поляризации не сопровождается выделением тепла. Ожидается, что спинтронные элементы информатики и построенные из них устройства и системы будут иметь сверхвысокое быстродействие при затратах энергии значительно меньшей, чем у обычных электронных элементов.

22 ноября 2012 в 16:41

Жесткие диски и спинтроника

• Компьютерное железо

Введение

По представлениям большинства людей вся современная электроника основана на использовании электрического тока, т.е. направленного движения электронов, ну или переноса заряда. В любой микросхеме огромная куча электронов трудится на наши блага. Они переносят сигналы, они хранят в памяти драгоценные для нас нули и единицы, делают все работу, чтобы наша жизнь была удобной и простой. Но помимо переноса заряда электроны обладают еще одним важнейшим свойством – спином. И это свойство вовсю эксплуатирует спинтроника.

Что такое спинтроника?

Спинтроника – научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Спинтроника - устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics).
Впервые термин «спинтроника» был использован в совместном сообщении Лабораторий Белла (да-да, тех самых Bell Labs) и ученый Йельского университета, датированного 30.07.1998. В нем впервые прозвучала идея использовать единичные атомы для хранения битов информации, а сами биты хранить в виде спинов электрона.

Вот везде я тут говорю, спин да спин, а что это?

Спин (от англ. spin – вращение, верчение) – собственный момент количества движения электрона не связанный с его движением в пространстве. Упрощая немного, спин можно представить как вращение электрона вокруг своей оси.

Вспомним немного математики и физики.
В классической физике у частицы, механический момент количества движения (или как еще говорят, в момент импульса), равен:

r – радиус-вектор частицы;
p – вектор импульса частицы.

При p = 0 , момент импульса классической частицы M = 0 . У электрона же при p = 0, M ≠ 0.
У электрона спин на может принимать два значения:


Рис. 1. Спины электронов

Вообще спин измеряется в единицах h (постоянной Планка), и говорят, что спин равен . Со спином связан собственный магнитный момент электрона.

Я думаю, что кучки математических знаков выше хватит, чтобы помучать немного читателей. А раз так, то не будем больше использоваться формулы.

В отличие от классических зарядов, создающих магнитный момент только при наличии их тока (как, например, в соленоиде), электрон имеет магнитный момент при нулевом импульсе. Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра некоторых атомов.

В спинтронных эффектах используются свойства ферримагнитных материалов. Это материалы, в состав которых входят атомы, обладающие магнитным моментом (например, Fe – железо, Со –кобальт, Ni – никель), причем при температуре ниже некоторой критической (температура Кюри), магнитные моменты атомов упорядочены относительно друг друга. При параллельном расположении спинов материалы называют ферромагнетиками, а при антипараллельном – антиферромагнетики.

В 1989 г. были исследованы структуры, состоящие из ферромагнитных и немагнитных слоев. Изучалась их проводимость. Взглянем на рисунок:

Рис.2. Трехслойная ферромагнитная структура

Как видно из рисунка, обе структуры состоят из трех слоев: ферромагнитных – с краев структуры и немагнитного слоя в середине. Реальным примером таких структур могут быть Fe-Cr-Fe (железо-хром-железо) или Co-Cu-Co (кобальт-медь-кобальт). Причем ширина немагнитного слоя составляет порядка 1 нм, а точнее ширина слоя должна быть меньше длины свободного пробега электрона, чтобы не было рассеяния и потери спина при его, электрона, движении. Проводимость в такой структуре возникает только в том случае, если намагниченности крайних слоев однонаправленны, что видно на правом рисунке. В противном же случае мы получаем «металлический изолятор».

И как это относится к HDD?

Смею верить, что всем, дочитавшим до этого места, не нужно рассказывать, что такое жесткий диск. Так как же вся жуть, приведенная выше, относится к жестким дискам? С помощью показанных выше принципов на наши с вами жесткие диски записывается информация. Представим себе расчлененный на куски HDD так, что от него остались только записывающая/считывающая головка да блин с данными. Примерно так, как на рисунке. Художник из меня аховый, поэтому я делаю все схематично.

Рис.3. HDD

Интерес представляет в рамках статьи только записывающая/считывающая головка. Я специально ее «позолотил» желтой краской (как в том курьезе с Петькой и Василием Ивановичем). Вообще, это не одно устройство в головке, а аж целых два: записывающая часть и считывающая часть. Взглянем на считывающую часть поближе:

Рис.4. Считывающая головка

Как видно, головка состоит из четырех слоев: железного, медного, кобальтового, и антиферромагнетика АФМ. АФМ слов, или как его еще называют, обменный слой, предназначен для фиксации магнитного поля второго слоя. Второй слой называется фиксирующим и у нас он сделан из кобальта. В нем магнитное поле всегда направлено в одну сторону. Третий слой – проводящий, обычно из меди, служит для разделения ферромагнитных слоев. Последний слой – чувствительный – тоже выполнен из ферромагнетика. В отличие от фиксирующего, направление его магнитного поля зависит от внешнего поля – поля ячейки. Ячейка жесткого диска содержит один бит информации. В зависимости от ориентации поля ячейки изменяется ориентация поля в чувствительном слое. Если ориентации полей в чувствительном и фиксирующем слоях совпадают, то ячейка, согласно рассмотренным выше принципам, увеличивает свою проводимость, т.е. начинает проводить ток. Если же ориентации полей противоположны, то получаем «металлический изолятор». Такой эффект изменения проводимости (ну или сопротивления, ведь это просто обратные величины) получил название GMR – Giant Magnetoresistive – эффект гигантского магнитоспротивления. GMR-эффект впервые был исследован в лабораториях IBM в конце 80х годов, но для его промышленной реализации потребовалось почти 10 лет.

Очень кружит голову тот факт, что такие сложные технологии окружают нас повсеместно. Продолжение следует.

Спинтроника это новое направление прикладных исследований развивается на стыке физики, химии и материаловедения и сулит перерасти в новый технологический уклад, потеснив полупроводниковую микроэлектронику. Объединив два слова «спин» и «электроника» - то есть спиновая электроника - в одно, ученые обозначили перспективное мультидисциплинарное направление науки и техники термином «спинтроника» (spintronics).

Что такое спин?

Спин - дословно, с английского, «вращение». Он может равняться либо одной второй (спиновое число электрона Je = 1/2), и тогда направлен вверх, либо минус одной второй (спиновое число электрона Je = –1/2), и в этом случае направлен вниз. «Спин можно изобразить как волчок, - поясняет начальник сектора Лаборатории теоретической физики ОИЯИ Олег Теряев. - На языке физики и математики спин - это вектор собственного момента импульса частицы, характеристика ее вращения вокруг собственной оси. Если представить частицу как теннисный мяч, то стенка мяча будет вращаться со скоростью больше скорости света. В мире больших объектов это невозможно. Поэтому считается, что спин - это такое свойство, у которого нет аналогов в макромире. Если заряд электрона чувствителен к электрическому полю, то спин электрона чувствителен к магнитному полю. Магнитное поле может менять и направление спина, и его численное значение.»

Спинтроника, как и электроника, основана на свойствах элементарной частицы - электрона. Если электроника базируется на свойствах электрического заряда электрона, то спинтроника - на свойствах спина электрона. Свойства спина известны физикам уже довольно давно - почти сто лет, но только в конце XX века они смогли найти ключ к его использованию.

Таинственный спин в 1988 году открылся человечеству в реальной жизни в виде уникального явления: эффекта магнитосопротивления в многослойных магнитных структурах. Проще говоря, ученые обнаружили, что под воздействием слабого магнитного поля в трехслойных пленках нанотолщины, составленных из разных металлов, то появляется, то исчезает электрический ток. Открытие назвали гигантским магнитосопротивлением (ГМС, в англоязычной литературе - GMR), а многослойные металлические конструкции с ГМС поименовали спиновыми вентилями.

За годы, прошедшие с момента открытия ГМС, физики и химики успели создать и исследовать около 11 видов спиновых вентилей с различной структурой. Добавили тонкую прослойку рутения - повысили термостабильность сенсоров. Применили кобальтовый феррит в качестве изолирующего магнито-жесткого слоя - уменьшили шунтирующий эффект и повысили величину ГМС. Ввели в структуру нанооксидные слои и антиферромагнетики - увеличили магниторезистивное отношение и чувствительность спинового вентиля.

Исследования ГМС-конструкций привели еще к одному типу материалов для спинтроники - туннельным магнитным структурам с эффектом туннельного магнитосопротивления (ТМС, в англоязычной литературе - TMR).

Поскольку многослойные ГМС- и ТМС-конструкции имеют очень высокую чувствительность и наноразмеры, то их сразу же применили в считывающих головках жестких дисков с плотностью записи свыше 100 Гбит/дюйм2. Основу головки считывания составляют три слоя: магнитомягкий, немагнитный, магнитожесткий. Намагниченность жесткого материала зафиксирована, а магнитомягкого материала может меняться внешним полем - битом информации.

Мгновенная, экономная память

Наногетероструктуры с магнитным туннельным переходом догадались использовать и как базовые элементы магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM имеет большие преимущества по сравнению с энергонезависимыми носителями информации на полупроводниковой основе. Время выборки данных у MRAM - менее 10 нс, что в 5 раз меньше, чем у флэш-памяти, а время записи - меньше 2 нс, то есть на три порядка меньше, чем у флэш-памяти. При этом энергопотребление магниторезистивной памяти в два раза меньше, чем у флэш- и оперативной памяти DRAM. Таким образом, использование MRAM в микропроцессорах радикально уменьшает их размеры при увеличении количества и плотности элементов, повышает быстродействие, существенно экономит энергию и снимает проблему охлаждения элементов памяти: они не перегреваются.

Разработки MRAM уже больше десяти лет ведутся исследовательскими центрами компаний Freescale (Motorola), IBM, Infineon, Cypress Semiconductor, TSMC, Samsung вместе с Hynix, а также NEC совместно с Toshiba.

В Японии в 2010 году ведущим разработчиком технологий MRAM стал Центр спинтронных микропроцессоров университета Тохоку (Center for Spintronics Integrated Systems, Tohoku University). Он объединил для усиленного технологического рывка более 20 японских и американских компаний-производителей микрочипов.

Цель сотрудничества: к концу финансового 2016 года разработать надежный и экономически эффективный способ массового производства чипов памяти нового поколения STT-MRAM (на основе второго поколения технологии туннельного магнитосопротивления Spin Torque Transfer - перенос момента спина), призванных заменить нынешние чипы DRAM. Среди участников проекта - третья в мире по объему производства микропроцессорной техники компания Tokyo Electron , мировой лидер по выпуску полупроводниковых плат Shin-Etsu Chemical , японский производитель микрочипов Renesas Electronics , японский концерн-гигант по производству электронной техники Hitachi , американская компания Micron Technology (второй в мире производитель элементов памяти DRAM). В Центре уже получены тестовые образцы чипов памяти нового типа. В серийное производство их обещают запустить к 2018 году.

В настоящее время серийно MRAM-чипы выпускает компания Everspin, учрежденная Freescale (бывшей Motorola). С ее конвейеров уже сошло около 10 миллионов новых чипов памяти объемом 512 Кб и 2 Мб. Сегодня наиболее востребованы в Everspin MRAM-чипы объемом 256 Кб, 1 Мб и 4 Мб. Самый большой объем памяти элементов MRAM, изготавливаемых Everspin, составляет 16 Мб. Они работают в температурных диапазонах от –40 до +85 градусов Цельсия. Цена одного элемента MRAM объемом 4 Мб - $11.

На магниторезистивную память возлагаются большие надежды

Компания Everspin предлагает их использовать для аэрокосмических и военных коммуникационных, информационных и управляющих систем, систем безопасности и автономных систем регистрации данных («черные ящики», замена устройств памяти на аккумуляторных батареях). Их производство в будущем ориентировано на применение в цифровых фотоаппаратах, ноутбуках, смарт-картах, мобильных телефонах, персональных компьютерах и прочей бытовой технике.

В России компания «Крокус Наноэлектроника» - совместное предприятие «Роснано» и Crocus Technology - запустила производство магниторезистивной памяти по технологии второго поколения TAS (Thermal Assisted Switching, термическое переключение) MLU (Magnetic Logic Unit, магнитная логическая ячейка).

Технологию изготовлениея пластин с размером ячейки 90 нм совместно разработали американские компании Crocus Technology и IBM. Производство, мощность которого должна составить 500 пластин в неделю, размещено в технополисе «Москва» на территории бывшего АЗЛК.

Технополис «Москва» - территория бывшего мос­ковского автомобилестроительного завода, ныне превращенная в площадку для высокотехнологичных частных предприятий. Одно из них - «Крокус Наноэлектроника» - занимается выпуском магниторезистивной памяти по технологии второго поколения.

Гигантское магнитосопротивление

Гигантское магнитосопротивление открыто в трехслойных металлических пленках железо-хром-железо. При толщине слоев железа в 3 нм толщина слоя хрома между ними варьировалась в экспериментах от 0,9 до 3 нм. Железо является ферромагнетиком, а хром - немагнитным металлом. Когда спины электронов проводимости обоих ферромагнитных слоев выстраивались параллельно, слой хрома пропускал через себя электрический ток. Стоило спинам свободных электронов в ферромагнитных слоях выстроиться антипараллельно, как в хромовой прокладке появлялось гигантское сопротивление и электрический ток практически исчезал. То есть слоистая структура с гигантским магнитосопротивлением работала как диод-выпрямитель. Поэтому многослойные структуры с эффектом ГМС назвали спиновыми вентилями. Обычно в спиновом вентиле один ферромагнетик является магнитожестким (с фиксированной намагниченностью), а другой - магнитомягким, способным менять направление спина под воздействием малого внешнего магнитного поля, что обеспечивает высокую чувствительность таких структур.

Туннельное магнитосопротивление

В основе работы ячеек магниторезистивной оперативной памяти лежит эффект туннельного магнитного сопротивления

Многослойные материалы с эффектом туннельного магнитного сопротивления (с туннельным магнитным переходом, в английской литературе MTJ - Magnetic Tunnel Junction) похожи на ГМС-конструкции. Это тоже «сэнд­вичи», в которых слои ферромагнетиков (металлов или манганитов) разделены немагнитным материалом. Только этот немагнитный материал является не металлом, как в ГМС, а диэлектриком - изолятором, например оксидом алюминия. Слой изолятора должен быть настолько тонок (< 2 нм), чтобы электроны ферромагнетиков могли просачиваться сквозь этот барьер. Такой процесс называется туннелированием и обусловлен волновой природой электрона. Вероятность туннелирования зависит от длины волны или энергии электрона. В ферромагнитном материале энергия электронов с ориентацией спина вверх или вниз различна, поэтому туннельный эффект - спин-зависимый: спины ферромагнитных слоев параллельны - проводимость магнитного туннельного перехода велика; спины антипараллельны - вероятность туннелирования мала. Максимальная величина магниторезистивного эффекта в ТМС - около 50% при комнатной температуре.

Чип памяти из 12 атомов

В исследовательском центре корпорации IBM создали кубит памяти (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере), состоящий из 12 атомов антиферромагнетика (вещества, в котором магнитные спины атомов направлены противоположно и равны по значению). Для сравнения: современный жесткий диск использует около миллиона атомов для хранения одного бита информации.

Ферромагнетики хорошо работают в магнитных накопителях информации, но главным препятствием на пути к их миниатюризации до атомарных размеров является взаимодействие соседних битовых элементов памяти друг с другом. Намагниченность одного битового элемента памяти может сильно влиять на его соседа.

Так магнитные спины 12 атомов антиферромагнетика представляют ноль или единицу

Ученые из IBM Research применили сканирующий туннельный микроскоп для формирования группы из 12 атомов антиферромагнетика, сохранявших бит данных в течение нескольких часов при низкой температуре. Используя присущее этим атомам свойство изменения направлений магнитного спина, ученые продемонстрировали способность компоновать соседние магнитные биты гораздо ближе друг к другу, чем это было возможно ранее. Это позволило значительно увеличить плотность записи/хранения магнитной памяти без нарушения состояния соседних битов.

Все для фронта

Практически все разработки в области спинтроники одновременно с гражданским предназначением сразу отрабатываются и в направлении военной тематики.

В США исследователи Университета штата Северная Каролина придумали, как с помощью спинтроники сделать сенсорные датчики умнее. Наносекундными лазерными импульсами они нанесли диоксид ванадия на кремниевую подложку, чтобы получившийся материал стал магнитным. Диоксид ванадия используют для изготовления инфракрасных датчиков. Находка группы ученых из университета Северной Каролины позволила объединить инфракрасный магнитный датчик с микропроцессором в одном монокристалле. Датчик стал работать быстрее и энергоэкономнее. Интеллектуальные инфракрасные датчики с магнитными свойствами предназначены для использования в военных целях в спинтронных устройствах следующего поколения. В числе соавторов разработки студенты и аспиранты Университета, сотрудники корпорации Intel и Исследовательского бюро Армии США.

Исследовательские лаборатории, работающие по армейским контрактам, изыскивают способы обеспечения работы сложной современной электроники и прецизионной механики в самых суровых условиях, будь то пыльные бури Ближнего Востока или ледяные пустыни Арктики

Инженерный центр исследований и разработки автобронетанковой техники (TARDEC) Армии США в сотрудничестве с учеными-исследователями из Оклендского университета развивает спинтронику, ожидая значительного прогресса в технологиях СВЧ, сенсорных сетей и систем связи. Армия США рассчитывает на спинтронику в разработке решений низкоэнергетического электропитания для жизнеобеспечения боевых частей на значительном удалении от мест цивилизации и в суровых условиях эксплуатации, подобных Ираку и Афганистану. Достижения спинтроники должны найти самое широкое применение в вооруженных силах США: обеспечить солдат маломощными источниками энергии, боевыми и тактическими машинами, многофункциональными антеннами, робототехникой, низкоэнергетическими системами радиорелейной связи и «умной броней».

Так, технология Spin Torque Transfer использует поляризованный по спину транспортный ток через многослойную наноструктуру для манипуляции ее магнитным состоянием. Эффект переноса спина может вызывать прецессию намагниченности наноразмерного ферромагнетика с частотами, лежащими в СВЧ-диапазоне. Такая прецессия может стать источником излучения электромагнитных СВЧ-волн, частотой которых можно управлять и при помощи тока, и посредством магнитного поля. По сути, речь идет о возможности создания генераторов СВЧ-диапазона, работающих на абсолютно новых принципах.

Для военных приложений сенсорные технологии должны быть более чувствительными и гораздо более реактивными, и нам удалось Джей Нараян (Jay Narayan), профессор кафедры материаловедения и инжиниринга Университета штата Северная Каролина

Видимо, эту возможность использует группа исследователей TARDEC в сотрудничестве с физиком-теоретиком Оклендского университета профессором Андреем Славиным. При поддержке пилотной программы Армии США по спинтронике они с 2008 года изучают феномен генерации микроволнового излучения микроволновыми осцилляциями намагниченности спин-поляризованного тока в наноразмерных многослойных наноструктурах. Группа призвана разработать практические методы контроля микроволновых генераторов с помощью магнитного поля, а ее технологические разработки должны быть переданы в несколько научных и технологических военных программ, включая микро- и наноэлектронику, беспроводные коммуникации, сбор энергии и радиационно-устойчивые материалы.

Эксперименты исследовательской группы Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета с «плащом-невидимкой» толщиной всего 70 микрон. Исследователи утверждают, что такое покрытие поглощает 99,9% падающего на него света.

Исследовательская группа Центра нанофотоники и спинтроники Мичиганского университета занята разработкой «плаща-невидимки». Она предложила маскирующую поверхность, которая работает в видимом диапазоне для произвольной формы трехмерных объектов большой площади. «Плащ» представляет собой плоский ковер, состоящий из низкой плотности леса углеродных нанотрубок, которые могут визуально сжимать произвольные трехмерные объекты и превращать их в невидимые двухмерные. Невидимость наблюдалась невооруженным глазом для неполяризованного света во всем видимом диапазоне. Маскировался объект в 100000 раз больший, чем длина волны. Авторы утверждают, что их подход, основанный на совершенном поглощении, не ограничивается ковром из углеродных нанотрубок и может быть применен к более широкому диапазону частот - от ультрафиолета до терагерц, причем для сколь угодно больших объектов. Свою версию плаща-невидимки они предлагают и для объяснения черноты космоса.