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
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 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
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。
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。
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。
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
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。
優點： 困難： 自旋電晶體的概念(2) 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 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
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.
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”
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
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
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.
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
優點 自旋電子共振電晶體(3) Long Dephasing Times (msec) 高切換速度 (GHz) 使用silicon 技術和量子點技術
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。