Brevet FR2848727A1 — publié le 20040618

TRANSISTOR A VANNE DE SPIN A HAUT RENDEMENT Le domaine général de l'invention est celui de la spintronique, domaine de l'électronique utilisant les propriétés magnétiques de spin des électrons. Plus précisément, le domaine de l'invention est celui des 5 transistors à vanne de spin qui peuvent être utilisés dans de nombreux domaines de l'électronique, soit en tant que composant élémentaire (porte logique, élément de mémoire non volatil,...), soit en tant que capteur magnétorésistif dans de nombreux domaines (automobile, instrumentation, forage ou navigation), soit encore en tant que tête de lecture de support 10 d'enregistrement magnétique haute capacité (densités d'enregistrement supérieure au téraBitllnch2). Dans un corps ferromagnétique, la diffusion des électrons est différente selon leur spin. Cet effet est utilisé dans des dispositifs à multicouches magnétiques encore appelé vanne de spin pour créer un 1.5 phénomène de magnétorésistance géante. Son principe est représenté en figures la et lc. Une vanne de spin comprend successivement trois couches de matériaux. La première couche Fl est une couche de métal ferromagnétique à aimantation imposée. La seconde couche N est une couche de métal non magnétique séparant la 20 première couche de la troisième. La troisième couche F2 est une couche de métal ferromagnétique à aimantation variable. Le principe de fonctionnement est le suivant: Si l'on soumet la vanne de spin à un champ magnétique H, celui-ci est suffisant pour modifier le sens de l'aimantation de la seconde couche sans altérer celui de la première couche. L'aimantation imposée de la 25 couche F2 subsiste alors après le retrait du champ magnétique H. Suivant le sens du champ magnétique appliqué, la première et la troisième couche sont donc, soit en configuration parallèle (figure la), les deux aimantations pointant dans le même sens (flèches verticales noires de la figure la), soit en configuration anti-parallèle (figure lc), les deux aimantations pointant en 30 sens opposé (flèches verticales noires de la figure 1 c). Dans la configuration parallèle, les électrons e- de spin +1/2 (flèche oblique supérieure de la figure la) traversent les couches Fl et F2 avec une diffusion faible. Les résistances R+F1 et R+F2 des couches Fl et F2 ont, par conséquent, une valeur r faible pour ces électrons. Les électrons e& de spin -1/2 (flèche inférieure en zigzag de la figure la) traversent les couches Fl et F2 avec une diffusion forte. Les résistances R-Fl et R-F2 des couches Fl et F2 ont, par conséquent, une valeur R importante pour ces 5 électrons. En finale, la résistance électrique équivalente de la vanne de spin est représentée sur le schéma de la figure lb. Elle est équivalente à deux résistances en série de valeur r placée en parallèle avec deux résistances en série de valeur R. Si R est très grand devant r, la résistance équivalente du circuit est voisine de r. Dans la configuration anti-parallèle, les électrons e de spin +1/2 (flèche supérieure de la figure 1c) traversent la couche Fl avec une diffusion faible (partie en ligne droite de la flèche supérieure) et la couche F2 avec une diffusion forte (partie en zigzag de la flèche supérieure). La résistance R+Fl de la couche F1 a, par conséquent, une valeur r faible pour ces électrons et 15 la résistance R+F2 de la couche F2 une valeur R importante. Les électrons ede spin -1/2 (flèche inférieure de la figure 1c) traversent la couche Fl avec une diffusion forte (partie en zigzag de la flèche inférieure) et la couche F2 avec une diffusion faible (partie en ligne droite de la flèche inférieure). La résistance R-Fl de la couche FI a, par conséquent, une valeur R importante 20 pour ces électrons et la résistance R-F2 de la couche F2 une valeur r faible. En finale, la résistance électrique équivalente de la vanne de spin est représentée sur le schéma de la figure Id. Elle est équivalente à deux résistances respectivement de valeur r et R mises en parallèle avec deux résistances également de valeurs r et R. Si R est très grand devant r, la 25 résistance équivalente du circuit est maintenant voisine de R. On modifie ainsi en fonction du champ magnétique appliqué la valeur de la résistance équivalente de la vanne de spin. Un des domaines majeurs de recherche de la spintronique est le 30 développement de transistors à vanne de spin. Les transistors à vanne de spin présentent des avantages importants sur les transistors classiques à semiconducteur comme, par exemple, un faible temps de commutation, de faibles énergies mises en jeu ainsi que la possibilité de programmation de portes logiques. Différents concepts ont été proposés depuis 1995. Pour illustrer ces concepts représentés en figures 2, 3 et 4, on utilise une notation symbolique représentant les différentes couches du transistor. Les symboles utilisés sont les suivants: 5. Couche Fl de métal ferromagnétique à aimantation permanente: rectangle comportant une flèche unique. a Couche F2 de métal ferromagnétique à aimantation variable dépendant du champ magnétique: rectangle comportant une flèche double tête-bêche. 10. Couche N de métal non magnétique: rectangle vide Couche de semi-conducteur présentant une barrière électronique de Schottky: rectangle surmonté par une courbe en pointe, symbolisant la barrière de Schottky. * Couche I isolante: Losange à parois verticales. 1 5 La disposition verticale des différentes couches est représentative des différences de potentiel appliquées. Deux couches situées à des hauteurs différentes sont donc soumises à une différence de potentiel. On note VEB la différence de potentiel existant entre l'émetteur et la base et VBC la différence de potentiel existant entre la base et le collecteur. 20 En 1995, un premier concept a été proposé (D.J. Monsma, J.C.Lodder,T. J.A. Popma and B.Dieny - Perpendicular Hot Electron SpinValve Effect in a New Magnetic Field Sensor: The Spin-Valve Transistor Physical review Letters - Vol. 74, No 26 - 26/06/95). Ce concept est 25 représenté en figure 2. Le transistor proposé comprend un émetteur E en matériau semiconducteur, une base métallique B comprenant 3 couches Fl, N et F2 constituant une vanne de spin et un collecteur C également en matériau semi-conducteur. Les jonctions émetteur/base et base/collecteur sont de type Schottky comme il est indiqué sur la figure 2. La flèche indique 30 le sens du courant collecté. Il est opposé à celui de la propagation des électrons. Des électrons sont injectés de l'émetteur vers la base à travers la base. Certains de ces électrons, dits chauds, ont une énergie suffisamment importante pour traverser la jonction Schottky émetteur/base. La relaxation énergétique de ces électrons chauds dans la base métallique dépend de leur 35 spin. Le courant collecté lc dépend fortement de l'orientation relative des aimantations entre les couches F1 et F2. On appelle contraste de magnéto courant MC le rapport ci-dessous: MC =(lcp IC AP) /( ICP + ICAP) avec lcp courant maximal transmis lorsque les aimantations sont 5 en configuration parallèle et ICAP courant minimal transmis lorsque les aimantations sont en configuration anti-parallèle. De forts contrastes de courant collecteur lc ont été observés avec un tel dispositif (P.S.A. Kumar et ai., Physica C350, 166 (2001)). Cependant, les effets de relaxation des électrons dans la base 10 sont importants, celle-ci étant composée de plusieurs interfaces successives et d'autre part, l'énergie des électrons dépend de la différence de hauteur de barrière de potentiel entre les deux jonctions Schottky émetteur/base et base/collecteur. Or, il est technologiquement très difficile de réaliser des différences de hauteurs de jonctions Schottky significatives (supérieures à 15 1eV). Aussi, ce dispositif ne peut générer que des courants collecteurs de très faible intensité, de l'ordre de la dizaine de nA. En 2001, un second concept de transistor à vanne de spin a été proposé (S. van Dijken, Xin jiang, and S.S.P. Parkin - room temperature 20 opération of a high output current magnetic tunnel transistor - Applied Physics Letters - Vol. 80, N' 18 - 6 may 2002). Ce transistor dit MTT (pour Magnetic Tunnel Transistor) est représenté en figure 3. Il comprend un émetteur composé d'une couche ferromagnétique Fl à aimantation permanente, un isolant 1, une base B composée d'une couche 25 ferromagnétique F2 à aimantation variable et un collecteur C en matériau semi-conducteur. La jonction base/collecteur est de type Schottky comme il est indiqué sur la figure 3. Les différences de potentiel VEB et VBC nécessaires entre la base et l'émetteur et la base et le collecteur sont également représentées. Les électrons polarisés en spin sont émis depuis 30 l'émetteur E ferromagnétique par effet tunnel dans la base ferromagnétique B. Le MTT permet de limiter les effets de relaxation des électrons dans la base qui n'est plus constituée que d'une seule couche. On obtient alors des courants lc en sortie du collecteur plus importants. Cependant, la configuration en jonction tunnel magnétique conduit à des contrastes de 35 courant lc plus faible entre configurations parallèle et anti-parallèle des 2848727 aimantations (inférieur à 70%). Ceci résulte du fait que ce dispositif n'exploite pas la dépendance en spin de la longueur caractéristique de relaxation des électrons chauds. Enfin, en 2002, une variante du MTT a été proposée (S.S.P. Parkin - lntermag europe Conference - Amsterdam - May 2002). Elle est représentée en figure 4. Elle comprend un émetteur E en matériau semiconducteur, un isolant I, une base B qui est une vanne de spin comprenant trois couches métalliques Fl, N et F2 et un collecteur en matériau semi10 conducteur. La jonction base/collecteur est de type Schottky. L'émetteur émet, par effet tunnel, des électrons non polarisés en spin vers la structure en vanne de spin de la base B. Des contrastes de courant collecteur très élevés (supérieurs à 3000%) ont été observés avec cette structure. Néanmoins, la tension VEB susceptible d'être appliquée entre l'émetteur et la 15 base est limitée par le phénomène de claquage dans la barrière tunnel et limite, par conséquent, l'intensité du courant émetteur IE. L'intensité du courant collecteur lc qui est proportionnelle à l'intensité du courant émetteur IE reste également limitée. L'objet de l'invention est de fournir un nouvel agencement de transistor à vanne de spin permettant d'obtenir à la fois une forte intensité et un fort contraste du courant collecteur 10, ce qui est souhaitable pour les applications de type senseurs (détecteurs de champ faible ou tête de lecture) ou comme élément de mémoire non volatil ou encore comme porte logique 25 programmable. Plus précisément, l'invention a pour objet un transistor à vanne de spin comportant un émetteur, une base et un collecteur, l'émetteur étant réalisé dans un matériau semi-conducteur, la base étant constituée de trois 30 couches de métal successives, la première couche et la troisième couche ferromagnétiques, la seconde couche n'étant pas ferromagnétique, l'interface entre l'émetteur et les couches de la base constituant une diode Schottky, caractérisé en ce que le collecteur est métallique et séparé de la base par une couche isolante mince d'environ quelques nanomètres, ladite couche 35 constituant une barrière à effet tunnel entre la base et ledit collecteur. Avantageusement, la couche isolante présente une barrière de potentiel de hauteur inférieure à la barrière de potentiel de la diode Schottky existant entre l'émetteur et la base. Avantageusement, ladite couche isolante est en oxyde de tantale ou en sulfure de zinc ou en oxyde de zirconium ou en oxyde de terre rare tel que l'yttrium. Avantageusement, la couche isolante a une épaisseur comprise environ entre 1 et 4 nanomètres. Avantageusement, l'émetteur comporte au moins une couche de matériau semiconducteur et le collecteur au moins une première couche de matériau métallique, la couche de matériau semi-conducteur de l'émetteur comporte au moins une seconde couche de matériau métallique permettant le raccordement de moyens de connexions électriques. Ces moyens de 15 connexion électrique sont implantés au niveau de la première couche de matériau métallique, au niveau de la seconde couche de matériau métallique et d'une quelconque des couches de la base, lesdits moyens de connexion permettant d'appliquer au transistor des tensions et des courants extérieurs. Enfin, la tension électrique appliquée entre l'émetteur et la base 20 par l'intermédiaire des moyens de connexion est avantageusement supérieure à la barrière de potentiel de la couche isolante. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 25 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: ò Les figures la, lb, lc et ld représentent les schémas de principe d'une vanne de spin et les schémas électriques équivalents dans les états Parallèle et Anti-Parallèle. La figure 2 représente le schéma symbolique d'un premier 30 mode de réalisation d'un transistor à vanne de spin selon l'art antérieur. ò La figure 3 représente le schéma symbolique d'un transistor à vanne de spin de type MTT selon l'art antérieur selon une première variante. * La figure 4 représente le schéma symbolique d'un transistor à vanne de spin de type MTT selon l'art antérieur selon une seconde variante. * La figure 5 représente le schéma symbolique d'un transistor à vanne de spin selon l'invention. ò La figure 6 représente l'agencement des différentes couches dudit transistor ainsi que les connexions électriques associées du transistor selon l'invention. La figure 5 représente un schéma symbolique du transistor à vanne de spin selon l'invention. Il comprend un émetteur E en matériau semiconducteur, une base métallique B comprenant 3 couches Fl, N et F2 constituant une vanne de spin, un matériau isolant I et un collecteur C en matériau électriquement conducteur. La jonction émetteur/base est de type i15 Schottky comme il est indiqué sur la figure 5. La flèche indique le sens du courant collecté. Des électrons sont injectés de l'émetteur vers la base à travers la jonction Schottky émetteur/base. Les électrons passent de la base B au collecteur C à travers l'isolant I soit par effet tunnel, soit de manière balistique. Cette disposition a deux avantages majeurs sur les dispositions 20 antérieures. L'utilisation d'une jonction émetteur/base de type Schottky permet d'utiliser des tensions VEB émetteur/base plus importantes qui ne sont plus limitées par le phénomène de claquage. On peut ainsi obtenir de forts courants émetteurs IE et par conséquent, de forts courants collecteurs lc. La base étant constituée d'une vanne de spin, le contraste MC du courant 25 collecteur peut également prendre des valeurs importantes. Pour optimiser le dispositif, les matériaux doivent être choisis de façon à obtenir à la fois une hauteur de barrière Schottky élevée et une barrière tunnel de hauteur faible, inférieure à la hauteur de barrière Schottky. 30 L'isolant peut notamment être constitué d'oxyde de tantale ou de sulfure de zinc ou en oxyde de zirconium ou en oxyde de terre rare tel que l'oxyde d'yttrium. Le matériau de l'émetteur est classiquement un matériau semiconducteur comme le silicium ou l'arséniure de gallium. Les couches de matériaux constituant la base sont notamment, du cobalt ou un alliage de 35 cobalt pour la couche ferromagnétique Fl, du cuivre ou de l'or pour la couche neutre N, un alliage de nickel et de fer comme le permalloy (comprenant 80% de nickel) pour la couche ferromagnétique F2, enfin la couche conductrice peut être du cuivre ou de l'or. Le courant collecteur Ic est la somme de deux courants: Itunnel, 5 courant tunnel entre base et collecteur et Ibalistique, courant balistique provenant de l'émetteur constitué des électrons ayant suffisamment d'énergie pour traverser la jonction Schottky puis la base sans relaxer. Le courant tunnel ne jouant aucun rôle dans le fonctionnement du transistor, il convient de le minimiser. Il correspond, en électronique classique, à un 10 courant de fuite. Le moyen le plus simple est d'épaissir l'isolant I servant de barrière tunnel entre la base et le collecteur, le courant tunnel décroissant exponentiellement avec cette épaisseur. Il est également avantageux d'utiliser une tension Emetteur/Base VEB supérieure à la hauteur de la barrière tunnel. Dans ce cas, une partie 15 significative des électrons peut passer au-dessus de la barrière tunnel pour parvenir au collecteur de manière balistique. On augmente ainsi l'intensité du courant collecteur. Technologiquement, le transistor spintronique selon l'invention se 20 présente comme un empilement de couches comme il est représenté en figure 6. Cet empilement peut être réalisé par les méthodes de dépôt utilisées en micro-électronique classique. Il comprend successivement une couche métallique A, la couche de semiconducteur de l'émetteur E, les trois couches métalliques Fl, N et F2 constituant la base, la couche de matériau 25 isolant I et la couche métallique C du collecteur. Les connexions électriques de l'émetteur, de la base et du collecteur sont assurées par des moyens de connexion CE, CB et Cc qui peuvent être par exemple des plots métalliques. Ces moyens de connexion CE, CB et Cc sont situés au niveau de la couche métallique A située sous l'émetteur E, au niveau de la base et sur la couche 30 C du collecteur. La connexion peut se faire au niveau de la base sur l'une quelconque des trois couches Fl, N ou F2. Sur la figure 6, est représenté également un schéma électrique de polarisation du transistor. Un générateur de courant relié au transistor par les moyens de connexion CE et CB impose un courant IE à l'entrée de l'émetteur et une tension VEB entre l'émetteur et la 35 base. Un générateur de tension relié au transistor par les moyens de connexion Cc et CB impose une tension VBC entre la base et le collecteur. Le courant recueilli par le collecteur dépend de la configuration des aimantations imposée aux couches ferromagnétiques de la base. REVENDICATIONS 1. Transistor à vanne de spin comportant un émetteur (E), une 5 base (B) et un collecteur (C), l'émetteur (E) étant réalisé dans un matériau semiconducteur, la base étant constituée de trois couches de métal successives, la première couche (Fl) et la troisième couche (F2) ferromagnétiques, la seconde couche (N) n'étant pas ferromagnétique, l'interface entre l'émetteur (E) et les couches de la base (B) constituant une 10 diode Schottky, caractérisé en ce que le collecteur (C) est métallique et séparé de la base (B) par une couche isolante mince (I) d'environ quelques nanomètres, la dite couche constituant une barrière à effet tunnel entre la base (B) et ledit collecteur (C). 1 5 2. Transistor à vanne de spin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante (I) présente une barrière de potentiel de hauteur inférieure à la barrière de potentiel de la diode Schottky existant entre l'émetteur (E) et la base (B). 3. Transistor à vanne de spin selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche isolante (1) est en oxyde de tantale ou en sulfure de zinc ou en oxyde de zirconium ou en oxyde de terre rare tel que l'oxyde d'yttrium. 4. Transistor à vanne de spin selon la revendication 1, caractérisé 25 en ce que la couche isolante (I) a une épaisseur comprise environ entre 1 et 4 manomètres. 5. Transistor à vanne de spin selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur (E) comporte au moins une couche de matériau semi30 conducteur et le collecteur (C) au moins une première couche de matériau métallique. 6. Transistor à vanne de spin selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche de matériau semi-conducteur de l'émetteur (E) comporte au moins une seconde couche de matériau métallique (A). 7. Transistor à vanne de spin selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que des moyens de connexion électrique (CE, CB et Cc) sont implantés au niveau de la première couche de matériau métallique, au niveau de la seconde couche de matériau métallique et d'une quelconque des couches (F1, N, F2) de la base, lesdits moyens de connexion permettant 10 d'appliquer au transistor des tensions et des courants extérieurs. 8. Transistor à vanne de spin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension électrique appliquée entre l'émetteur (E) et la base (B) par l'intermédiaire des moyens de connexion (CE) et (CB) est supérieure à la 1 5 barrière de potentiel de la couche isolante (I).