常温下电子自旋极化现象之应用.PDFVIP

維基夥伴獎學金 成果報告 常溫下電子自旋極化現象之應用 研究者 電工系 103 級 錢偉臣 指導老師 陳建旭 博士 指導教授 李建平 教授 學習動機： 1 自旋電子學是近年來在應用物理中相當熱門的主題。基於在現有的電子元件以電 壓進行控制為大宗，但是有電流通過而耗電與漏電流的微縮技術瓶頸，讓研究開始朝向其 他方向去尋找替代方案，以期能找到省電、速度更快的元件。 2 二十世紀末，以一絕緣體隔著兩塊磁性層(MTJ ) ，揭示出改變電子自旋方向(磁極) 3 達到控制電阻的方法(TSP ) 。從此之後，以金屬跟半導體為基材來實現TSP 的元件開始出 現，更有自旋場效電晶體(spin FET) 及自旋金屬氧化半導體場效電晶體(spin MOSFET)的誕 生。 幾年來不斷出現的MRAM 藉由電壓改變兩磁性材料的磁極方向，磁極平行則電流 導通，反平行(anti-parallel)則電流極小，而使輸出訊號的大小能夠表示一個位元(bit) 。該 元件號稱速度媲美SRAM ，容量能夠達到DRAM 的等級，世界各公司正努力突破大面積的 MRAM 製作(IBM 、TSMC 、Samsung) 。 另一方面，為了善加利用電子自旋的特性，有研究朝向自旋的能階變化，進行自旋 累積(spin accumulation)或注射(spin injection)的偵測(spin detection) 。起初，使用蕭特基隧 障(Schottky tunnel barrier)針對不同磁性物質對接面(如FM/oxide/semi)量測，需要降溫至 100K 以下才行。在鐵磁與半導體間安置絕緣體，可有效讓電子通過時極性不發生偏轉， 自旋資訊不至於消失。 近年由於在室溫下蕭特基隧障量測出有自旋累積的產生，後續的發展可望成功，故 選擇此題目，願能從做中學，先能重現該元件的現象，再討論是否能夠改變製程使特性更 佳。 學習狀況： 目前已通過奈米中心儀器濕式工作台(Wet Bench)的考核，並已討論一種流程(flow) 能夠製作以矽為基底，長出蕭特基隧障的元件而能量測到不同磁場下自旋累積度的變化。 過程中需要使用顯影技術，學習「光罩對準曝光機(DUV) 」，目前已經試過鍺破片塗上光 阻並成功蝕刻到出現圖案。 還認識了E-gun 機台的操作方法，冷凍機搭配示波器量測樣品特性，LabView 軟體 的控制程序的編寫，針對奈伏電表的訊號控制等。 1 spintronics 2 MTJ: magnetic tunnel junction 3 TSP: tunnel spin polarization 實驗目的： 基於自旋電子學，在半導體中控制電子自旋的技術有望能影響現有的微電子科技。 此實驗目的在於製造出能產生自旋極化現象並能控制電壓與電流的元件，且製作方式能與 現有之半導體製程結合。 實驗原理： 考慮一磁鐵─三氧化二鋁─n 型矽的能帶圖(如下圖) ，氧化層為高能障，而n 型矽 4 與氧化層間有蕭特基隧障 ，現有電子流從鐵金屬端透過穿隧效應流向矽端，而因為電子自旋的 ↑ ↓ 方向不同，而有不同的位能µ 、µ ，我們定義自旋的累積度為： 。 ↑鐵磁物質的自旋方向經電流影響矽端位能差 再來考慮外加磁場的情況，首先當磁場大小B 為零時，自旋的極化保持恆定，自 旋累積度為最大值；一但B 不為零時，若磁場方向與自旋方向垂直，則會產生磁力矩差