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奈米電子學期中報告
Spintronics
姓名：鄭志強
學號：R91543026
國立台灣大學應用力學研究所
指導教授：劉致為
NTU NEMS Laboratory
大綱
•自旋與磁性
•磁性穿遂接面(Magnetic Tunnel Junction)
•自旋閥式巨磁阻效應
•MRAM
•自旋電晶體的概念
•自旋量子位
•Hot-electron spin Transistor
•自旋電子共振電晶體
•結語
NTU NEMS Laboratory
自旋與磁性
• 電子都有自旋，且有
相應的磁場產生。
• 電子在傳統電路中的
行為因自旋無排列，
所造成的平均效應，
即為電流。
• 電流流過鐵磁材料，
可以控制自旋朝同一
方相同。
NTU NEMS Laboratory
磁性穿遂接面
•磁性穿遂接面形成
MRAM的基元。
•接面包含兩個鐵磁性
材料，中間以絕緣材
料分開兩鐵磁性材料。
•兩鐵材料有相同或相
反的磁化方向，造成
不同的電阻。
NTU NEMS Laboratory
自旋閥式巨磁阻效應
•當word line 通過一
脈波，自由層上的磁
化受word line電流的
影響而向外偏移
•可依sense line 上的
衝波錄寫磁化態。
•讀取則依磁化態所造
成之磁電阻大小，而
將資訊讀出。
NTU NEMS Laboratory
MRAM
優點
• 高電阻，可使元件之能損減少
• 大部分是金屬，抗輻射能力遠
比半導體強
• 非揮發性記憶體
• 高儲存容量
NTU NEMS Laboratory
自旋電晶體的概念(1)
• 自旋電晶體是以鐵磁
性材料當source極和
drain極，所以流經
channel的電流為自
旋極化電流。
• 當加壓於閘極，流經
channel的電流的自
旋方向會改變。
NTU NEMS Laboratory
自旋電晶體的概念(2)
•優點：
–Source 和drain的極化方向可以改變
–推動電子速度和耗能比傳統電晶體少
•困難：
–自旋電晶體的概念尚未被實體化
–難以有效率地從鐵磁材料打spin current進半
導體材料
–讓spin current在整個channel中維持相同的
spin state是關鍵技術
NTU NEMS Laboratory
自旋量子位(1)
• 傳統上，電腦以八個位元0
1可表示0~255
• 電子自旋spin up 和spin
down可以當位元表示來用
• 電子自旋天生可當qubits因
為其可同時表示0~255
• Qubits are extremely delicate:
stray interactions with their
surroundings degrade the
superpositions extremely
quickly, typically converting
them into random ordinary
bits.
NTU NEMS Laboratory
自旋量子位(2)
• Classical Bit (Boolean) 0 or 1 Two states
• Quantum Bit (Qubit)α| = 0>= += β| =1> “Infinite”
number of states
• “n Qubits is worth 2n Boolean bits”
NTU NEMS Laboratory
Hot-Electron Spin-Transistor(1)
Ic的兩個控制參數
•EB和BC之間的偏壓
•外加磁場
NTU NEMS Laboratory
Hot-Electron Spin-Transistor(2)
優點
•高和低的barrier高度
使得Ic和Ib的比增加
•基層厚度小於5nm
NTU NEMS Laboratory
自旋電子共振電晶體(1)
a Field Effect Transistor in which the channel resistance
monitors electron spin resonance, and the resonance
frequency is in turn controlled by the gate voltage.
NTU NEMS Laboratory
自旋電子共振電晶體(2)
• J-exchange interaction depends on the overlap of the
wavefunctions which is controlled by gate voltages
• At off-resonance, the wavefunction can be controlled by gate
voltages as the gate pull the electron away from the nucleus:
Coulomb potential is weakened → aB increases → J-exchange
overlap turns on
Triplet state
Singlet state
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自旋電子共振電晶體(3)
• 優點
–Long Dephasing Times (msec)
– 高切換速度 (GHz)
–使用silicon 技術和量子點技術
NTU NEMS Laboratory
結語
• 自旋電子不僅可以作非揮發性之記憶體，
同時更可以當作電晶體、邏輯閘等元件使
用，不僅達到低能損耗，而且switch time
更快，同時借由與半導體技術作結核，將
有希望成為繼微電子學之後，自旋電子學
成為未來電腦晶片的主流。
NTU NEMS Laboratory