Роль спин-орбитального соединения в полупроводниковых устройствах спинтроники

Оригинальное название: The Promise of Spintronics

Обычная микроэлектроника полагается на манипулирование электронным зарядом для обработки информации, парадигма, которая привела к экспоненциальному росту вычислительной мощности в течение десятилетий. Однако, поскольку размеры транзисторов приближаются к атомным масштабам, фундаментальные физические ограничения, такие как токи утечки, рассеивание тепла и квантовое туннелирование, угрожают остановить дальнейший прогресс. Спинтроника предлагает дополнительный подход, используя внутренний спиновой момент электрона в дополнение к его заряду. Это поле обладает потенциалом для энергонезависимой памяти, более низкого энергопотребления и новых логических архитектур, которые работают с беспрецедентными скоростями. В основе многих спинтронных явлений лежит спин-орбитальное взаимодействие (SOC), релятивистское взаимодействие, которое связывает спин электрона с его орбитальным движением и открывает богатый ландшафт для разработки устройств.

Связь спин-орбита — это не просто вторичный эффект в полупроводниках; это основной механизм для генерации, манипулирования и обнаружения спиновой поляризации без необходимости внешних магнитных полей. В полупроводниковой спинтронике SOC обеспечивает электрический контроль спинов с помощью приложенных напряжений, что делает его незаменимым инструментом для масштабируемых полностью электрических спинтронных цепей. Понимание микроскопического происхождения SOC, его различных проявлений в различных материальных системах и того, как его можно настроить с помощью структурного проектирования, имеет важное значение как для фундаментальных исследований, так и для практических применений. Эта статья предоставляет всеобъемлющий обзор роли спин-орбитальной связи в полупроводниковых устройствах спинтроники, охватывающий основную физику, ключевые демонстрации устройств, стратегии материаловедения и будущие направления.

Основы спин-орбитального соединения в полупроводниках

Релятивистское происхождение и электрическое поле

Связь спин-орбит возникает из релятивистского преобразования электромагнитного поля. Когда электрон движется со скоростью v через электрическое поле E (например, кристаллическое поле твердого тела), он испытывает эффективное магнитное поле в своей системе покоя. Это магнитное поле соединяется с магнитным моментом электрона, выравнивая его спин относительно его орбитального движения. Сила этого взаимодействия масштабируется с квадратом атомного номера (]Z2), поэтому тяжелые элементы проявляют сильный SOC. В полупроводниках кристаллический потенциал неоднороден; вблизи ядер электрическое поле сильно, что приводит к значительному SOC для электронов в самых внешних оболочках тяжелых атомов, таких как индий, сурьма или висмут.

Гамильтониан, описывающий SOC в твердом теле, обычно записывается как HSO = λ (σ × k) · ⁇ V, где λ — сила SOC, σ — матрица спина Паули, k — градиент кристаллического потенциала. Эта форма показывает, что SOC соединяет спин электрона с его импульсом, создавая спин-зависимую структуру полосы. В объемных полупроводниках с инверсионной симметрией (например, кремнии) эффекты SOC относительно слабы, потому что спин-дегенерация остается защищенной симметрией. Однако в структурах спин-бенда (например, GaAs, InAs) или на интерфейсах, где нарушена инверсионная симметрия, возникает гораздо более сильный SOC, что приводит к спин-расщеплению электронных полос даже при нулевом магнитном поле.

Рашба против Дрессельхауза

Два доминирующих типа SOC отличаются своим происхождением симметрии. Связь спин-орбиты Рашбы происходит, когда структурная инверсионная симметрия нарушена, как правило, на гетероинтерфейсах (например, двумерный электронный газ в GaAs/AlGaAs как квантовая скважина) или в присутствии внешнего электрического поля, перпендикулярного плоскости.RRRkyykx]], предсказывает, что полосы спин-сплит энергии имеют противоположные хелиситы для электронов, движущихся в противоположных направлениях.Параметр Рашбы αR может быть настроен напряжением внешних ворот, обеспечивая универсальную ру

Дрессельхаус спин-орбитальная связь возникает из асимметрии масс-инверсии в кристаллах, не имеющих центра инверсии, таких как полупроводники цинк-бленде III-V. В квантовом хорошо выращенном в направлении [001] гамильтониан Дрессельхауса принимает другую форму, пропорциональную как линейным, так и кубическим условиям в k. Взаимодействие между терминами Рашба и Дрессельхаус может производить анизотропное спин-расщепление и даже создавать стойкие спиновые спирали, где прецессия спина подавляется. Понимание и балансировка этих двух вкладов имеет решающее значение для проектирования когерентных спин-транспортных устройств, таких как спиновой транзистор Датта-Дас.

Внешние ссылки для дальнейшего чтения о эффектах Рашбы и Дрессельхауза: Эффект Рашбы на Википедии и Эффект Дрессельхауза на Википедии.

Материально-зависимая сила SOC

Величина SOC в полупроводниках широко варьируется. Среди распространенных соединений III-V InSb и InAs обладают самым сильным SOC из-за тяжелых атомов сурьмы и индия. GaAs и особенно GaN имеют более слабый SOC. Например, спин-орбитальное расщепление валентной полосы в GaAs составляет около 0,34 эВ, тогда как в InSb оно превышает 0,8 эВ. В двумерных электронных газах (2DEGs) коэффициент Рашба может варьироваться от нескольких меганм (GaAs) до нескольких сотен меганм (InAs, InSb). Инженерные квантовые скважины с асимметричным допингом или применением смещения затвора могут дополнительно усиливать или подавлять вклад Рашбы, обеспечивая точный контроль над динамикой спина.

Связь Spin-Orbit в Spintronic устройствах

Транзистор спина Datta-Das

Семинарное предложение Датты и Даса в 1990 году предусматривало спин-полевой транзистор (спин FET), который использует SOC в качестве механизма спин-вращения, управляемый затвором. Устройство состоит из двумерного электронного газового канала между ферромагнитным источником и контактами с дренажем. Источник впрыскивает спин-поляризованные электроны в канал; по мере их перемещения Rashba SOC вызывает прецессию спина вокруг эффективного магнитного поля, перпендикулярного каналу. При регулировке напряжения затвора коэффициент Rashba модулируется, изменяя угол прецессии. Когда спины прибывают в дренаж, они выравнивают либо параллельное (низкое сопротивление), либо антипараллельное (высокое сопротивление) к намагниченности дренажа, производя гигантский эффект магнитосопротивления. Хотя практические реализации столкнулись с проблемами с эффективностью впрыска и расслаблением спина, недавние достижения с использованием туннельных барьеров и измерения эффекта Hanle продемонстрировали действие спин-FET при комнатной температуре.

Эффект спин-холла и его обратная сторона

Эффект спин-холла (SHE) является ещё одним следствием SOC, где продольный зарядовый ток генерирует поперечный чистый спиновой ток. В немагнитных полупроводниках с сильным SOC электроны с противоположными спинами отклоняются в противоположных направлениях, аналогично обычному эффекту Холла, но для спина. Эффективность этого преобразования количественно определяется углом спин-холла, который может быть большим в таких материалах, как платина, вольфрам и некоторые легированные полупроводники. Эффект обратного спина Холла (ISHE) преобразует спиновой ток в поперечный зарядовый ток, позволяя обнаруживать накопление спина. И SHE, и ISHE имеют решающее значение для полностью электрического спинового впрыска и обнаружения в спинтронных цепях, минуя необходимость в ферромагнитной структуре спинового клапана, спиновой ток, генерируемый ферромагнитным инжектором, может быть обнаружен через ISHE в отдельном немагнитном канальном проводе.

Внешняя ссылка: Эффект Шпин-Холла на Википедии.

Spin-Orbit Torques

В магнитных гетероструктурах спин-орбитальное соединение может производить крутящие моменты, которые переключают намагниченность ферромагнитного слоя. Эти спин-орбитальные крутящие моменты (SOT) возникают из двух механизмов: спин-эффект Холла в немагнитном слое (например, тяжелый металл) и эффект Рашба-Эдельштейна на интерфейсе. SOT позволяют осуществлять сверхбыстрое, детерминированное переключение перпендикулярных магнитных анизотропных слоев с использованием токов в плоскости. Это привело к разработке SOT-MRAM, перспективного кандидата на энергонезависимую память следующего поколения, которая предлагает высокую выносливость, низкую энергию записи и быстрое переключение (суб-наносекунда). В то время как первоначально продемонстрировано в металлических системах, эффекты SOT в полупроводниках находятся в активном исследовании, используя настраиваемость SOC в двумерных электронных газах и топологических изоляторах.

Эффект Рашба-Эдельштейна и инъекция спина

На границе между немагнитным металлом и полупроводником с сильным SOC ток заряда может генерировать неравновесную плотность спина через эффект Рашба-Эдельштейна. Это накопление спина может быть использовано для впрыска спинов в соседний ферромагнетик или для манипулирования его намагниченностью. Эффект особенно эффективен в системах, где спин-расщепление Рашбы велико, например, на интерфейсах Bi/Ag или на поверхности топологических изоляторов. В полупроводниковой спинтронике сочетание ферромагнитных контактов с интерфейсным слоем высокой SOC может повысить эффективность впрыска спина за пределами проблемы несоответствия проводимости, которая традиционно преследовала металлические полупроводниковые соединения.

Инженерное сцепление спин-орбит в полупроводниковых гетероструктурах

Квантовые скважины и двухмерные электронные газы

Наиболее эффективный способ управления SOC в полупроводниках — это проектирование квантовых скважин. Асимметричные квантовые скважины, где допинг размещается только на одной стороне скважины, создают встроенное электрическое поле, которое нарушает инверсионную симметрию и индуцирует Rashba SOC. Величина αR может быть настроена толщиной скважины, барьерной композицией и плотностью допинга.Ga0.47As/InP квантовые скважины, позволяющие использовать коэффициенты прецессии спина, сравнимые со средним свободным путем.R, как правило, составляет 10—40 МВ·нм, но, перерастая электрод затвора, можно изменять его в два или более раза. Взаимодействие между Rashba и Dresselhaus может быть сконструировано для достижения устойчивых

Напряженные слои и гетероэпитаксия

Строй-инженерная технология обеспечивает еще одну степень свободы. Эпитаксиально выращенные полупроводниковые пленки могут испытывать встроенный деформатор из-за несоответствия решетки, что изменяет как структуру полосы, так и прочность SOC. Например, растягивающий ограниченный GaAs на буфере InGaAs показывает усиленное расщепление спин-орбит по сравнению с ненапряженным GaAs. Аналогично, сжимающий деформатор в квантовых скважинах Ge может вызывать большой эффект Рашба, полезный для переноса спина дырки. Тернарные и четвертичные соединения, такие как InGaAs, GaInSb и AlInSb, позволяют непрерывно настраивать константу решетки и прочность SOC.

Топологические изоляторы и сильные платформы SOC

Топологические изоляторы (TIs) представляют собой класс материалов, где сильный SOC заставляет зазор основной полосы закрываться на поверхности, что приводит к образованию спин-импульсно-замкнутых поверхностных состояний. В этих состояниях спин электрона перпендикулярен его импульсу, образуя спиральный конус Дирака. Поверхностная проводимость устойчива к немагнитному расстройству, а спин-текстура может управляться электрическим зазором. В то время как TI, такие как Bi2Se3Te3, не являются обычными полупроводниками, они могут быть интегрированы с полупроводниковыми подложками для создания гибридных спинтронных устройств.Чрезвычайно высокая спин-орбитальная связь в TIs (часто превышающая 1 эВ) делает их идеальными для эффективного преобразования спин-заряд и для генерации больших спин-орбитальных крутящих моментов.

Внешняя ссылка: Топологический изолятор на Википедии.

Измерение и настройка спин-орбитального соединения

Транспортные техники

Экспериментальное определение параметров SOC имеет важное значение для конструкции устройства. Наиболее распространенным методом является анализ колебаний Shubnikov-de Haas (SdH) в высоких магнитных полях. Образец биения в сигнале SdH показывает расщепление поверхности Ферми, вызванное SOC. Из положений битового узла можно извлечь энергию спина-расщепления нулевого поля и, следовательно, коэффициенты Рашба и Дрессельхауса. Для 2DEG этот метод был усовершенствован для разделения двух вкладов путем измерения колебаний при разных углах наклона. Другой подход - слабая антилокализация (WAL) эффект: в системах с сильным SOC квантовая интерференция электронных путей приводит к положительной магнитопроводности при низких полях. Форма пика WAL может быть установлена на теоретических моделях для извлечения времени рассеяния спин-орбиты.

Оптические методы

Оптические методы, такие как спин-разрешенная фотолюминесценция и разрешенная временем вращение Керра, позволяют непосредственно наблюдать поляризацию спина и динамику прецессии. В экспериментах с зондом накачки можно измерить частоту прецессии Лармора в квантовой скважине и вывести эффективное магнитное поле из SOC. Также можно извлечь время спина (T1 и время дефазирования (T2*). Недавние достижения в спектроскопии углового разрешения спина (ARPES) напрямую отображали спин-текстуру полос с разделением Рашба в полупроводниковых поверхностях и интерфейсах.

Ворота контроля SOC

Ключевым преимуществом полупроводниковых систем является возможность динамически настраивать SOC с помощью затвора. Применяя напряжение смещения через квантовую скважину, асимметрия ограничивающих потенциальных изменений, модифицируя αR. Это было хорошо продемонстрировано в гетероструктурах InGaAs/InAlAs, где коэффициент Рашба может изменяться более чем в три раза. Структуры двойных затворов (верхние и нижние затворы) обеспечивают независимый контроль как плотности несущей, так и асимметрии, позволяя точно настраивать соотношение αR/αD. Такой контроль имеет решающее значение для реализации логических операций на основе прецессии спина и для компенсации непреднамеренных асимметрий.

Проблемы и будущие направления

Расслабление спина и декогеренция

В то время как SOC имеет важное значение для спин-манипуляции, он также способствует спин-релаксации (механизм Дьяконова-Перела). В материалах с большим SOC спины прецессируют вокруг эффективного поля, создаваемого импульсно-зависимым спиновым расщеплением. События рассеяния рандомизируют импульс, приводя к случайным вращениям спина и потере когерентности спина. Время спин-релаксации τ ]s ] шкал обратно с квадратом силы SOC и времени рассеяния импульса. Таким образом, существует компромисс: более сильный SOC позволяет быстрее манипулировать спином, но также сокращает время жизни спина. Стратегии преодоления этого включают использование материалов со сбалансированными терминами Рашба и Дрессельхаус (постоянная спиновая спираль), используя квантовые точки или низкоразмерные структуры, которые подавляют рассеяние импульса, и работая в баллистическом режиме, где спины могут проходить через устройство без рассеяния.

Эффективность впрыска спина

Введение спин-поляризованных носителей из ферромагнитного металла в полупроводник остается серьезной проблемой из-за несоответствия проводимости. Проблема заключается в том, что даже небольшое сопротивление интерфейса доминирует над спин-зависимое сопротивление ферромагнетателя. Решения включают использование туннельных барьеров (например, MgO или Al 2 O3 ), использование разбавленных магнитных полупроводников или использование эффектов спин-орбит, таких как эффект спина Холла, для инъекций спинов нелокально. Эффект интерфейса Рашба-Эдельштейна также предлагает путь для преодоления несоответствия, создавая большое накопление спина на интерфейсе.

Интеграция с технологией CMOS

Для того, чтобы спинтроника стала жизнеспособной основной технологией, материалы и концепции устройств должны быть совместимы с обработкой CMOS на основе кремния. Полупроводники III-V, такие как GaAs и InGaAs, могут быть выращены на кремнии через буферные слои, но несоответствие решетки приводит к дефектам, которые ухудшают спиновые свойства. Сам кремний имеет слабые SOC, что полезно для длительных сроков службы спина, но ограничивает манипуляции со спином. Один подход заключается в использовании гетероструктур SiGe или сплава кремния с германием для усиления SOC (например, квантовые скважины Ge на Si). Другой путь заключается в интеграции топологических изоляторов или слоев тяжелых металлов с кремнием через обратную линию обработки. Недавние демонстрации спиновых FET и SOT устройств на кремниевых пластинах предполагают, что гибридная интеграция возможна.

Приложения квантовых вычислений

Связь спин-орбит также является центральной для многих реализаций кубитов. В полупроводниковых квантовых точках SOC может использоваться для электрического управления одиночными спинами через EDSR (электрический дипольный спиновой резонанс). Кубиты спина дыры в нанопроводах Ge/Si или квантовых точках выигрывают от сильных SOC, позволяя быстро выполнять операции затвора. Возможность настраивать SOC с напряжением позволяет масштабируемым квантовым процессорам, где кубиты индивидуально адресуются. Кроме того, спин-орбитальная связь может опосредовать взаимодействия между отдаленными спинами через виртуальные фотоны в сверхпроводящих резонаторах или через спин-волновые возбуждения. Задача состоит в том, чтобы достичь длительного времени когерентности при сохранении сильной связи, которая может потребовать изотопно очищенных материалов и передовых методов снижения шума.

Внешняя ссылка: Недавний обзор спин-орбитальных кубитов в природе.

Заключение

Связь спин-орбита является краеугольным камнем полупроводниковой спинтроники, обеспечивая существенную связь между спином электрона и его движением, что позволяет полностью контролировать спин. От фундаментальных эффектов Рашба и Дрессельхауса до передовых концепций устройств, таких как спин-транзистор, эффект спин-холла и спин-орбитальные крутящие моменты, SOC лежит в основе широкого спектра явлений, которые могут быть использованы для памяти, логики и квантовых вычислений. Материальная инженерия - через квантовый дизайн скважины, деформацию, легирование и гетероэпитаксию - предлагает точную настраиваемость прочности и симметрии SOC, в то время как транспортные и оптические методы измерения позволяют подробную характеристику. Несмотря на такие проблемы, как релаксация спина и эффективность впрыска, прогресс в росте материалов и изготовлении устройств продолжает приближать поле к практическим приложениям. По мере приближения к пределам традиционных CMOS уникальные преимущества спинтроники - неволатильность, низкая мощность и высокая скорость - становятся все более привлекательными. Освоение спин-орбитальной связи является ключ