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奈米電子學期中報告 Spintronics

奈米電子學期中報告 Spintronics. 姓名：鄭志強 學號： R91543026 國立台灣大學應用力學研究所 指導教授：劉致為. 大綱. 自旋與磁性 磁性穿遂接面 (Magnetic Tunnel Junction) 自旋閥式巨磁阻效應 MRAM 自旋電晶體的概念 自旋量子位 Hot-electron spin Transistor 自旋電子共振電晶體 結語. 自旋與磁性. 電子都有自旋，且有相應的磁場產生。 電子在傳統電路中的行為因自旋無排列，所造成的平均效應，即為電流。 電流流過鐵磁材料，可以控制自旋朝同一方相同。. 磁性穿遂接面.

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  1. 奈米電子學期中報告Spintronics 姓名：鄭志強 學號：R91543026 國立台灣大學應用力學研究所 指導教授：劉致為

  2. 大綱 • 自旋與磁性 • 磁性穿遂接面(Magnetic Tunnel Junction) • 自旋閥式巨磁阻效應 • MRAM • 自旋電晶體的概念 • 自旋量子位 • Hot-electron spin Transistor • 自旋電子共振電晶體 • 結語

  3. 自旋與磁性 • 電子都有自旋，且有相應的磁場產生。 • 電子在傳統電路中的行為因自旋無排列，所造成的平均效應，即為電流。 • 電流流過鐵磁材料，可以控制自旋朝同一方相同。

  4. 磁性穿遂接面 • 磁性穿遂接面形成MRAM的基元。 • 接面包含兩個鐵磁性材料，中間以絕緣材料分開兩鐵磁性材料。 • 兩鐵材料有相同或相反的磁化方向，造成不同的電阻。

  5. 自旋閥式巨磁阻效應 • 當word line 通過一脈波，自由層上的磁化受word line電流的影響而向外偏移 • 可依sense line 上的衝波錄寫磁化態。 • 讀取則依磁化態所造成之磁電阻大小，而將資訊讀出。

  6. MRAM 優點 • 高電阻，可使元件之能損減少 • 大部分是金屬，抗輻射能力遠比半導體強 • 非揮發性記憶體 • 高儲存容量

  7. 自旋電晶體的概念(1) • 自旋電晶體是以鐵磁性材料當source極和drain極，所以流經channel的電流為自旋極化電流。 • 當加壓於閘極，流經channel的電流的自旋方向會改變。

  8. 自旋電晶體的概念(2) • 優點： • Source 和drain的極化方向可以改變 • 推動電子速度和耗能比傳統電晶體少 • 困難： • 自旋電晶體的概念尚未被實體化 • 難以有效率地從鐵磁材料打spin current進半導體材料 • 讓spin current在整個channel中維持相同的spin state是關鍵技術

  9. 自旋量子位(1) • 傳統上，電腦以八個位元0 1可表示0~255 • 電子自旋spin up 和spin down可以當位元表示來用 • 電子自旋天生可當qubits因為其可同時表示0~255 • Qubits are extremely delicate: stray interactions with their surroundings degrade the superpositions extremely quickly, typically converting them into random ordinary bits.

  10. 自旋量子位(2) • Classical Bit (Boolean) 0 or 1 Two states • Quantum Bit (Qubit)α| = 0>= += β| =1> “Infinite” number of states • “n Qubits is worth 2n Boolean bits”

  11. Hot-Electron Spin-Transistor(1) Ic的兩個控制參數 • EB和BC之間的偏壓 • 外加磁場

  12. Hot-Electron Spin-Transistor(2) 優點 • 高和低的barrier高度使得Ic和Ib的比增加 • 基層厚度小於5nm

  13. 自旋電子共振電晶體(1) a Field Effect Transistor in which the channel resistance monitors electron spin resonance, and the resonance frequency is in turn controlled by the gate voltage.

  14. 自旋電子共振電晶體(2) • J-exchange interaction depends on the overlap of the wavefunctions which is controlled by gate voltages • At off-resonance, the wavefunction can be controlled by gate voltages as the gate pull the electron away from the nucleus: Coulomb potential is weakened → aB increases → J-exchange overlap turns on Triplet state Singlet state

  15. 自旋電子共振電晶體(3) • 優點 • Long Dephasing Times (msec) • 高切換速度(GHz) • 使用silicon 技術和量子點技術

  16. 結語 • 自旋電子不僅可以作非揮發性之記憶體，同時更可以當作電晶體、邏輯閘等元件使用，不僅達到低能損耗，而且switch time 更快，同時借由與半導體技術作結核，將有希望成為繼微電子學之後，自旋電子學成為未來電腦晶片的主流。

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