Microfabricação e caracterização de transistores spintrônicos balísticos e lógicos

Abstract

A invenção do transistor foi a mais impactante diante todos os dispositivos eletrônicos. A rá- pida e constante evolução da tecnologia de informação exigia componentes em menor escala de tamanho e integrados em quantidades cada vez maiores aos circuitos. O constante aumento da velocidade de processamento e redução de tamanho não mais propiciava ganhos reais com a chegada ao limite físico, comprometendo a relação custo benefício. A possibilidade de utilizar o spin do elétron fez da spintrônica uma linha de pesquisa bastante explorada na tecnologia. Dis- positivos spintrônicos apresentam grande aumento da velocidade de processamento de dados e reduz o consumo de energia. A utilização da spintrônica em transistores os tornam candi- datos a suprir as limitações da eletrônica convencional. O transistor de base metálica (TBM), que na época de sua criação teve pouco apelo da indústria microeletrônica, devidos aos baixos valores de ganho apresentados, novamente desperta interesse. Substituir o metal da base por metal magnético pode angariar propriedades decorrentes da exploração do grau de liberdade de spins, ainda não exploradas. O "boom"da spintrônica levou a proposta do Spin-FET, um transistor spintrônico para substituir os MOS FETS. Um dispositivo lógico composto de três eletrodos (Fonte, Dreno e Gate) para gerar os estados ON-OFF. A corrente é polarizada em spins na fonte, injetada no canal e lida no dreno. No canal (elo de ligação da fonte com o dreno) a orientação de spins é controlada com de interação Rashba, induzida por um potencial externo através da terceira conexão, Gate. A informação pode ser detectada se os spins tiverem a mesma orientação da magnetização do dreno (estados ON) ou contrária, (estados OFF). O maior desa- fio do Spin-FET atualmente é o controle eficiente do spin no canal. Nesta Tese apresentamos uma proposta de fabricação do Spin FET com grande poder de injeção/detecção de spins e o diferencial do controle da precessão de spins no canal de grafeno. O projeto foi realizado em colaboração bilateral com o INL (International Iberian Nanotechnology Laboratory), que dis- põe de toda estrutura necessária na produção, sendo referência em micro fabricação. A proposta inovadora de adicionar o grafeno como última etapa na fabricação garantiu a qualidade do gra- feno, diferencial para dispositivo rápido e que controle estados magnéticos de forma precisa. O dispositivo fabricado proporcionou comprimento de difusão de spins em torno de 7µm, valor similar aos maiores que se tem conhecimento para mesma técnica de produção de grafeno. O controle da rotação no Gate foi obtido de forma eficiente para correntes puras de spins e spins polarizadas em temperaturas de 15 K e 300K, um diferencial deste trabalho. Durante o douto- rado outros trabalhos foram desenvolvidos com eletrodeposição. O TBM com base permeável de Permalloy (FeNi) e emissor de ZnO apresentou ótima qualidade nas junções Schottky, com 0,57 eV para interface FeNi/Si e 0,58 eV para ZnO/FeNi. A pouca espessura da base de FeNi depositada próximo ao tempo de percolação, tornou-a permeável, característica que facilita o alcance de elétrons balísticos do emissor no coletor sem serem drenados na base. Como resul- tado, o TBM apresentou um ganho três vezes acima do esperado na configuração base comum e 3,6 no modo amplificação. O dispositivo sob ação de campo magnético externo apresentou um incremento de 1% na corrente de coletor, portanto, aumento de 10 vezes na sensibilidade em relação as medidas de Magnetorresistência Anisotrópica. Os estudos com dispositivos ti- veram ainda outros horizontes a partir do desenvolvimento com eletrodeposição de ligas que podem oferecer outras possibilidades a transistores ou MRAMs. Na liga de Cobre Permalloy foi constatado grande controle das propriedades magnéticas e cristalinas com a concentração de cobre. Houve também estudo da queda da temperatura de Curie da liga com aumento concen- tração de cobre, o que abre possibilidade de emprego em sensor magnético de temperatura. Já a liga de cobalto térbio mostrou se um material amorfo com anisotropia perpendicular ao plano, dependendo das concentrações dos materiais. Tal característica abre possibilidade de emprego em transistor com seletividade de portadores em orientação perpendicular ao plano, dispositivos de comutação ótica com mecanismos de torque de spin órbita, além de estudo experimental de skírmions. Palavras-chave: Spintrônica. Dispositivos. Microfabricação. Spin-FET.

The invention of the transistor was the most impressive of all electronic devices. The rapid and constant evolution of information technology required components on a smaller scale in size and integrated in increasing quantities into the circuits. The constant increase in processing speed and size reduction no longer provided real gains when reaching the physical limit, com- promising the cost-benefit ratio. The possibility of using electron spin has made spintronics a research line that has been extensively explored in technology. Spintronic devices feature gre- atly increased data processing speed and reduced power consumption. The use of spintronics in transistors makes them candidates to overcome the limitations of conventional electronics. The Metallic Base Transistor (TBM), which at the time of its creation had little appeal from the microelectronics industry, due to the low gain values presented, again arouses interest. Re- placing the base metal with a magnetic metal can gain properties arising from the exploration of the spin degree of freedom, which have not yet been explored. The spintronics boom led to the proposal of the Spin-FET, a spintronic transistor to replace the MOS FETS. A logic device composed of three electrodes (Source, Drain and Gate) to generate the ON-OFF states. Current is spin-biased at the source, injected into the channel, and read at the drain. In the channel (link between source and drain) the orientation of spins is controlled with a Rashba interaction, induced by an external potential through the third connection, Gate. The information can be detected if the spins have the same orientation as the drain magnetization (ON states) or oppo- site (OFF states). The biggest challenge of Spin-FET today is the efficient control of spin in the channel. In this thesis, we present a proposal for the manufacture of Spin FET with great power of injection/spin detection and the differential control of the precession of spins in the graphene channel. The project was carried out in bilateral collaboration with the INL (International Ibe- rian Nanotechnology Laboratory), which has all the necessary structure for production, being a reference in micro manufacturing. The innovative proposal of adding graphene as the last step in the manufacture guaranteed the quality of graphene, a differential for a fast device that preci- sely controls magnetic states. The manufactured device provided spin diffusion lengths around 7µm, a value similar to the largest known for the same technique of graphene production. The rotation control in the Gate was efficiently obtained for pure currents of spins and spins polari- zed at temperatures of 15 K and 300 K, a differential of this work. During the doctorate other works were developed with electrodeposition. The TBM with a Permalloy (FeNi) permeable base and ZnO emitter showed excellent quality in the Schottky junctions, with 0.57 eV for the FeNi/Si interface and 0.58 eV for ZnO/FeNi. The low thickness of the FeNi base deposited close to the percolation time made it permeable, a characteristic that facilitates the reach of bal- listic electrons from the emitter to the collector without being drained into the base. As a result, the TBM presented a gain three times higher than expected in the common base configuration and 3.6 in the amplification mode. The device under the action of an external magnetic field presented an increase of 1% in the collector current, therefore, a 10 times increase in sensitivity in relation to the Anisotropic Magnetoresistance measurements. The studies with devices had yet other horizons from the development with electrodeposition of alloys that can offer other possibilities to transistors or MRAMs. In the Copper Permalloy alloy, great control of the mag- netic and crystalline properties was observed with the concentration of copper. There was also a study of the drop in the Curie temperature of the alloy with an increase in copper concentration, which opens the possibility of using it in a magnetic temperature sensor. The cobalt terbium al- loy showed to be an amorphous material with anisotropy perpendicular to the plane, depending on the concentrations of the materials. This feature opens the possibility of use in transistors with selectivity of carriers in orientation perpendicular to the plane, optical switching devices with orbit spin torque mechanisms, in addition to experimental study of skirmions. Keywords: Spintronics. Devices. Microfabrication. Spin-FET.