Magnéto-électronique dans des dispositifs à semiconducteurs

Magnetoelectronics in semiconductor devices

Institut d'Électronique Fondamentale, CNRS UMR 8622, Université Paris-Sud, Bâtiment 220, 91405 Orsay Cedex, France.

Résumé

Cet article est consacré à l'étude théorique d'une structure originale de transistor à effet de champ, le transistor à rotation de spin ou spin-FET. Il s'agit d'un transistor de type HEMT dans lequel les zones fortement dopées de source et drain sont remplacées par des contacts ferromagnétiques. Le contact de source joue le rôle de polariseur de spin pour les électrons injectés dans le canal de conduction du transistor et le contact de drain celui d'analyseur de spin pour ceux parvenus en fin de canal. Le courant de drain varie ainsi avec les orientations relatives du spin des électrons en fin de canal et de l'aimantation du contact de drain. Or, il est possible de contrôler, grâce à la tension de grille, non seulement la densité de porteurs dans le canal mais aussi la rotation de spin des électrons au cours de leur transport dans le semiconducteur. La commande du courant dans un spin-FET est donc à la fois électrique et magnétique. Après avoir passé en revue les différents phénomènes agissant sur le spin dans les hétérostructures semiconductrices III-V et avoir comparé leurs influences respectives, nous avons développé un modèle pour étudier le transport polarisé en spin dans le canal d'un HEMT. Nous avons ensuite présenté une étude complète du transport polarisé en spin dans le canal d'un spin-FET. Nous avons abordé ce transistor sous deux aspects, d'une part en tant que dispositif élémentaire pour l'étude physique du transport polarisé en spin dans les structures ferromagnétique/semiconducteur, et d'autre part en tant que composant pour l'électronique rapide. Ces résultats ont en outre souligné l'importance des propriétés des contacts ferromagnétique/semiconducteur pour les performances du spin-FET. Nous avons alors conclu cette étude par quelques réflexions sur le type de contacts envisageable et par la mise au point actuellement en cours d'une approche pour les modéliser.

Abstract

This work is a theoretical study of a particular concept of field effect transistor, the spin-FET. This structure consists of a high electron mobility transistor (HEMT) where usual highly doped source and drain regions are replaced by ferromagnetic contacts. The source contact acts as a spin polarizer for the electrons injected in the conduction channel of the HEMT and the drain contact as a spin detector for electrons reaching the end of the channel. So, the drain current depends on the comparison of the spin orientation of electrons reaching this contact with the magnetic moment orientation of the drain. Furthermore, the control of the electron spin orientation by the gate voltage is possible in the channel of a HEMT. The spin-FET is therefore a device in which the current is controlled magnetically by the gate voltage, in addition to the classical field effect control which consists into the modulation of the electron density in the channel. After reviewing the spin dephasing effects appearing in such structures and comparing their respective influences, we describe the model that we develop to study spin-polarized transport in the channel of a HEMT. Then, we study the spin-FET, as a structure for the investigation of the physics of spin polarized transport in ferromagnet/semiconductor structures and as a device for fast electronics. These results point out the importance of the properties of ferromagnet/semiconductor contacts for spin-FET performances. We close this study with some considerations about these contacts and describe the approach that we develop now to model them.