Fabricação de estruturas híbridas para aplicação em transistores de spin

Abstract

Dispositivos spintrônicos apresentam potencial aumento da velocidade de processamento de dados, redução do consumo de energia elétrica e aumento da densidade de integração em comparação com dispositivos convencionais, devido à adição do grau de liberdade relativo ao momento magnético do elétron (spin). Estes dispositivos são atualmente utilizados como sensores magnéticos em cabeças leitoras de discos rígidos e em memórias magnéticas de acesso randômico (MRAM). A crescente demanda por aumento do desempenho e portabilidade dos equipamentos eletrônicos, que requer o desenvolvimento de dispositivos com alta sensibilidade e dimensões reduzidas, torna a spintrônica uma linha de pesquisa amplamente investigada. A possível utilização de dispositivos spintrônicos em dispositivos laterais com canal de spin em um semicondutor controlado por voltagem de gate, nos chamados transistores de spin por efeito de campo (SPINFET), torna os dispositivos spintrônicos prováveis candidatos à superação das limitações da eletrônica convencional. Nesta tese de doutorado são realizados fabricação e estudo de estruturas híbridas para aplicação em transistores de spin com técnicas compatíveis para obtenção de dispositivos com alto desempenho, produção em larga escala e compatibilidade com a aplicação na indústria. O desempenho como sensor magnético de transistores de base metálica crescidos por eletrodeposição foi investigado e a compatibilidade de sua microfabricação com as técnicas utilizadas na indústria microeletrônica testada em um estágio de doutorado na Fondazione Bruno Kessler na Itália. Em um segundo estágio de doutorado realizado na Universidade de Plymouth na Inglaterra, foi desenvolvida a microfabricação de junção túnel magnética com tunelamento coerente, necessário para obtenção de altos valores de magnetorresistência e aumento da sensibilidade dos sensores. A injeção e detecção de spin em silício são investigadas em dispositivos laterais obtidos por nanofabricação. Os dados obtidos mostram uma alta polarização de spin no silício e a medida direta do comprimento de difusão de spin sugere o comprimento de coerência necessário na fabricação destes dispositivos.

Spintronic devices have potential to increase data processing speed, decrease power consumption and increase integration density compared to conventional devices, due to the degree of freedom addition associated with the electron's magnetic moment (spin). These devices are currently used as magnetic sensors in hard disk read heads and magnetic random access memories (MRAM). The growing demand for increased performance and portability of electronic equipment, which requires the development of devices with high sensitivity and small size, makes spintronics a widely investigated area of research. The possible application of spintronic devices in a side-channel device with spin in the semiconductor channel controlled by a gate voltage, in a so-called spin transistors field effect (SPINFET), turns spintronic devices as likely candidates to overcome the limitations of conventional electronics. In this thesis are performed fabrication and study of hybrid structures for application in spin transistors, compatible with techniques to obtain devices with high performance, large-scale production and application in the industry. The performance as a magnetic sensor of metal base transistors grown by electrodeposition was investigated and their compatibility with microfabrication techniques was tested in a stage at the Fondazione Bruno Kessler in Italy. In a second stage at the University of Plymouth in England, a magnetic tunnel junction with coherent tunneling, necessary for obtaining high values of magnetoresistance and increased sensitivity of the sensors was developed. The injection and spin detection in silicon are investigated in lateral devices obtained by nanofabrication. The data show a high spin polarization in silicon and direct measurement of the spin diffusion length suggests the coherence length required in the manufacture of these devices