Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 4 minutes
Spintronische transistoren in silicium bieden grote kansen voor energiezuinige computers, maar onderzoekers hebben nog niet alle methodes in de vingers om deze schakeling te bouwen. Een van de problemen is dat een stroom moeilijk door kan dringen van een magnetisch materiaal naar silicium. UT-promovendus Byoung-Chul Min keek naar deze grensoppervlakken en vond dat een dun laagje ferromagnetisch materiaal met lage werkfunctie een spin-Mosfet mogelijk moet maken.
Naarmate de grenzen van halfgeleidertechnologie steeds lastiger te verleggen zijn, kijken onderzoekers ook naar niet-elektrische eigenschappen voor het maken van logische schakelingen. Een van deze eigenschappen is de spin van deeltjes. Deze kwantummechanische eigenschap is voor de beeldvorming vergelijkbaar met een tol die links- of rechtsom draait. Spintronicatoepassingen gebruiken deze draairichting in plaats van, of in combinatie met, de lading van het elektron. De spin richt zich naar magnetische velden. Spintronicaonderzoek begeeft zich dan ook in zowel het magnetische als het elektrische domein. Door het combineren van deze eigenschappen liggen eenvoudigere en energiezuinigere schakelingen in het verschiet. De spin blijft intact in afwezigheid van een elektrische stroom en is dus bruikbaar voor niet-vluchtig geheugen. Ook niet-vluchtige schakelingen behoren tot de mogelijkheden.
Aan de Universiteit Twente werkte promovendus Byoung-Chul Min de afgelopen jaren aan een specifieke component, de spin-Mosfet. ’Met een spin-Mosfet zou je een schakeling kunnen realiseren met de eigenschappen van een processor en geheugen in één‘, legt Min uit. ’Helaas is de spin-Mosfet tot nu toe nog moeilijk realiseerbaar gebleken.‘
De spintronica staat nog grotendeels in de kinderschoenen. De grote uitzondering is de harde schijf, waar de leeskop een spintronische component gebruikt. Deze bestaat uit een sandwich van een niet-permanent magnetisch laagje tussen twee permanent magnetische laagjes. De eerste magnetische laag richt de spin van de elektronen in zijn richting. Als de tweede laag een omgekeerd magnetisch veld heeft, kost het extra energie om daar doorheen te dringen. Dat resulteert in een verhoogde elektrische weerstand. Door een van de twee magnetische laagjes te maken van een materiaal dat makkelijk omklapt bij een extern magnetisch veld, verandert de elektrische weerstand door de sandwich. De weerstand is daarmee een maat voor de polarisatie van de magnetische bit op de harde schijf.
De spin-Mosfet waar Min zijn pijlen op richtte, heeft een ontwerp dat lijkt op deze leeskop. De source en drain zijn ferromagnetisch met daartussen een standaard siliciumkanaal en gate. Behalve de gate dicteert ook de onderlinge magnetische oriëntatie van de contacten de geleiding door de transistor. ’Als je een spin-Mosfet-computer zou aanzetten, zou die exact dezelfde status tonen als toen je de computer een paar uur eerder uitzette. Dit vereist geen extra stroom en je kunt direct met hetzelfde werk doorgaan zonder een lange opstartprocedure‘, zegt Min. Ook zijn er minder transistoren nodig om hetzelfde te bereiken. ’Volgens een recent onderzoek is het mogelijk om een circuit te maken dat zes booleaanse functies uitvoert met vier spin-Mosfets en zes normale transistoren. Als je dit met normale Mosfets wilt bereiken, heb je 48 transistoren nodig.‘
Volgens Min moeten de materialen voor een spin-Mosfet aan drie eisen voldoen. ’Ten eerste moeten we spingepolariseerde elektronenstroom vanuit de magneet in de halfgeleider kunnen injecteren. Ten tweede moeten we de polarisatie tijdens het elektronentransport door de halfgeleider in stand houden. En ten derde moeten we deze spinpolarisatie kunnen vertalen in een elektrisch signaal.‘ Het contactoppervlak tussen het silicium en de ferromagnetische materialen is daarbij bepalend. ’We ontdekten dat het bijzonder lastig is om de gewilde eigenschappen te verkrijgen met normale contacten tussen ferromagneet en silicium, want deze produceren een energiebarrière die de spingepolariseerde stroom hindert.‘ Voor een aantal andere halfgeleiders was er reeds een oplossing gevonden voor dit probleem en hadden onderzoekers al successen geboekt. Maar silicium is natuurlijk het vereiste materiaal om binnen te kunnen dringen in de elektronicafabricage. Het leeuwendeel van Mins project bestond dan ook uit dit probleem.
Uiteindelijk is het gelukt om de barrière op een eenvoudige methode te slechten. Een nanometerdik laagje van een ferromagnetisch materiaal met lage werkfunctie, zoals gadolinium, op het grensoppervlak verwijdert de weerstand bijna geheel. Ook cesium heeft dit effect. ’Met deze technologieën hebben we de weg vrijgemaakt voor de realisatie van de spin-Mosfet‘, zegt Min.
Na zijn promotie gaat Byoung-Chul Min terug naar zijn thuisland Zuid-Korea om daar onderzoek te doen aan het Korea Institute of Science and Technology.
