Microfabricação e caracterização de transistores spintrônicos balísticos e lógicos

Abstract

A invenção do transistor foi a mais impactante diante todos os dispositivos eletrônicos. A rá- pida e constante evolução da tecnologia de informação exigia componentes em menor escala de tamanho e integrados em quantidades cada vez maiores aos circuitos. O constante aumento da velocidade de processamento e redução de tamanho não mais propiciava ganhos reais com a chegada ao limite físico, comprometendo a relação custo benefício. A possibilidade de utilizar o spin do elétron fez da spintrônica uma linha de pesquisa bastante explorada na tecnologia. Dis- positivos spintrônicos apresentam grande aumento da velocidade de processamento de dados e reduz o consumo de energia. A utilização da spintrônica em transistores os tornam candi- datos a suprir as limitações da eletrônica convencional. O transistor de base metálica (TBM), que na época de sua criação teve pouco apelo da indústria microeletrônica, devidos aos baixos valores de ganho apresentados, novamente desperta interesse. Substituir o metal da base por metal magnético pode angariar propriedades decorrentes da exploração do grau de liberdade de spins, ainda não exploradas. O "boom"da spintrônica levou a proposta do Spin-FET, um transistor spintrônico para substituir os MOS FETS. Um dispositivo lógico composto de três eletrodos (Fonte, Dreno e Gate) para gerar os estados ON-OFF. A corrente é polarizada em spins na fonte, injetada no canal e lida no dreno. No canal (elo de ligação da fonte com o dreno) a orientação de spins é controlada com de interação Rashba, induzida por um potencial externo através da terceira conexão, Gate. A informação pode ser detectada se os spins tiverem a mesma orientação da magnetização do dreno (estados ON) ou contrária, (estados OFF). O maior desa- fio do Spin-FET atualmente é o controle eficiente do spin no canal. Nesta Tese apresentamos uma proposta de fabricação do Spin FET com grande poder de injeção/detecção de spins e o diferencial do controle da precessão de spins no canal de grafeno. O projeto foi realizado em colaboração bilateral com o INL (International Iberian Nanotechnology Laboratory), que dis- põe de toda estrutura necessária na produção, sendo referência em micro fabricação. A proposta inovadora de adicionar o grafeno como última etapa na fabricação garantiu a qualidade do gra- feno, diferencial para dispositivo rápido e que controle estados magnéticos de forma precisa. O dispositivo fabricado proporcionou comprimento de difusão de spins em torno de 7µm, valor similar aos maiores que se tem conhecimento para mesma técnica de produção de grafeno. O controle da rotação no Gate foi obtido de forma eficiente para correntes puras de spins e spins polarizadas em temperaturas de 15 K e 300K, um diferencial deste trabalho. Durante o douto- rado outros trabalhos foram desenvolvidos com eletrodeposição. O TBM com base permeável de Permalloy (FeNi) e emissor de ZnO apresentou ótima qualidade nas junções Schottky, com 0,57 eV para interface FeNi/Si e 0,58 eV para ZnO/FeNi. A pouca espessura da base de FeNi depositada próximo ao tempo de percolação, tornou-a permeável, característica que facilita o alcance de elétrons balísticos do emissor no coletor sem serem drenados na base. Como resul- tado, o TBM apresentou um ganho três vezes acima do esperado na configuração base comum e 3,6 no modo amplificação. O dispositivo sob ação de campo magnético externo apresentou um incremento de 1% na corrente de coletor, portanto, aumento de 10 vezes na sensibilidade em relação as medidas de Magnetorresistência Anisotrópica. Os estudos com dispositivos ti- veram ainda outros horizontes a partir do desenvolvimento com eletrodeposição de ligas que podem oferecer outras possibilidades a transistores ou MRAMs. Na liga de Cobre Permalloy foi constatado grande controle das propriedades magnéticas e cristalinas com a concentração de cobre. Houve também estudo da queda da temperatura de Curie da liga com aumento concen- tração de cobre, o que abre possibilidade de emprego em sensor magnético de temperatura. Já a liga de cobalto térbio mostrou se um material amorfo com anisotropia perpendicular ao plano, dependendo das concentrações dos materiais. Tal característica abre possibilidade de emprego em transistor com seletividade de portadores em orientação perpendicular ao plano, dispositivos de comutação ótica com mecanismos de torque de spin órbita, além de estudo experimental de skírmions. Palavras-chave: Spintrônica. Dispositivos. Microfabricação. Spin-FET.