CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE VAT LIEU BAN DAN TỪ 1. Điện tử hoc spin (spintronics) Nhìn vào lich sử phát triển của ngành điện tử chúng ta có thé dé dang nhận thay sự thay đôi đáng kể của nhân loại, bat đầu từ năm 1945 với sự ra đời của ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) — siêu máy tính dau tién với kích thước lớn gan bằng một căn phòng. đến thời điểm hiện tại các máy tinh đã được thu nhỏ rất nhiều với khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu ngày càng được đòi hỏi nhiều và nhanh hơn.
Điều nảy doi hỏi các thiết bị lưu trừ phải càng ngày càng nhỏ hơn nữa đến kích thước nano dé phù hợp với kích thước của máy tính từ đó giảm được chi phi dé san xuat máy tính. Mặc dù định luật Moore do Gordon Moore — đồng sáng lập Intel (tập đoàn sản xuất chip máy tính nôi tiếng) đã và đang làm nên bước ngoặt lớn trong ngành công nghệ điện tử trong việc giúp giảm giá thành trong khi vẫn tiếp tục nâng cao được hiệu suất của phần cứng với phát biêu như sau: “Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi 24 tháng" (linch vuông xấp xi 6. Drinking cược Sim oe) bagi vi bự ng on. beg pn} Hình 1.1: Dinh luật Moore cho thay dự đoán tốc độ tăng số lượng transistor trên một đơn vị điện tích theo thời gian.com) Tuy nhiên, có rất nhiều dự báo về sự kết thúc của định luật Moore đã được đưa ra ve van dé có thực sự việc thu nhỏ sẽ có thẻ cắt giảm được chi phí sản xuất hay không? Và nó cũng được dự đoán sẽ kết thúc sớm do những hạn chế vật lí của các thiết bị điện tử sử dung Silicon (silicon-based) xảy ra ở quy mô nano mặc cho phía tập doan Intel đã vạch ra con đường phát triển tới năm 2030 sẽ có 1 nghìn tỷ transistor trên một gói và tự tin "sẽ duy trì định luật Moore trong thập ky tới hoặc lâu hơn”.2 là 46 thị biểu dién dự báo của Intel về số lượng transistor mà họ có thé đáp ứng đến năm 2030.2: Dự báo của Intel về định luật Moore đến năm 2030 (Nguồn Intel.com) [6] Đứng trước những dự báo như vậy đã mở đường cho nhiều phương pháp tiếp cận được dé xuất như thay thế Silic bằng các vật liệu mới hoặc để xuất các thiết bị có các nguyên lý làm việc mới, trong đó spintronics là một trong những lĩnh vực mới nồi dành cho các thiết bị điện tử nano thế hệ tiếp theo nhằm giảm mức tiêu thụ điện năng và tăng khả năng xử lý va lưu trữ bộ nhớ.
Đây được xem là một giải pháp hứa hẹn cho các thiết bị điện tử trong tương lai. Hau hết các thiết bị điện tử sử dung một tính chất của electron gọi là “điện tích” dé mã hóa các thông tin dưới dang số bit “0” và “1”. Tuy nhiên trong electron còn một tính chất khác được spintronics được mô tả như hình 1.3 sử dụng là moment từ spin, được quy định bởi vật lý lượng tử luôn theo một trong hai trạng thái: spin up (hướng lên) hoặc spin down (hướng xuống) dé mã hóa dit liệu. Ta có thé điều khiển hướng của spin bằng cách đưa nó vào từ trường và spin không thay đôi hay mat đi khi ngừng cung cấp năng lượng cho nên các thông tin đã được lưu trữ vẫn không bị mắt.
điều này làm cho các thiết bị spintronics dự kiến sẽ có nhiều ưu điểm như tiêu thụ điện năng thấp, không cần cung cấp điện xuyên suốt, tốc độ cao. nên vật liệu spintronics có thé cung cấp các chức năng mới chưa từng có trong vật liệu Silicon thông thường. Tinh chất điện (điện tích của electron) - Transistor laser. - Bộ nhớ truy cập ngau nhiên (RAM).
Cần nguồn điện để duy trì bộ nhớ.3: Sơ đồ minh họa lĩnh vực spintronic kết hợp ca hai tinh chat điện và từ của electron. Người ta định nghĩa spintronics: “spintronics là một ngành đa lĩnh vực mà mục tiêu chính là thao tac và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chat rấn ” [7]. Và ngành khoa học này bắt nguồn tir việc tim thấy hiệu ứng từ điện trở không 16 (Giant Magnetoresistance effect - GMR) sau này có thêm hiệu ứng từ điện trở xuyên ham (Tunnel Magnetoresistance effect - TMR) đây là những nền tảng cơ bản cho spintronics. 12 Hiệu ứng GMR được phat hiện vào những năm 1988 bởi Albert Fert và Peter Grunberg và đã giành giải Nobel Vật lý năm 2007 [8].4a mô tả hiệu ứng GMR ở hai bản kim loại sắt từ ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại không có từ tính.
Khi moment từ trong hai bản kim loại từ tính song song với nhau điện trở của hệ nhỏ, ngược lại khi moment từ ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ trở nên rất lớn. Hiện tượng này được giải thích dựa vào sự tấn xạ phụ thuộc spin (spin- dependent scattering) của electron tại mặt tiếp xúc các lớp. Bên cạnh đó sự tán xạ phụ thuộc spin của electron cũng xảy ra trong các tiếp xúc từ xuyên ham (magnetic tunnel junction -MTJ) là các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ ngăn cách bởi các lớp điện môi được mô tả trong hình 1. Khi moment từ trong hai ban kim loại từ tính song song nhau điện trở của hệ nhỏ, ngược lại khi moment từ ở hai bản ngược chiều điện trở của hệ tưở nên rất lớn.
Từ điện trở xuyên ham Tunnel Magnetoresistance (TMR) lan dau tién được phát hiện bởi nhóm của 1. Moodera của MIT năm 1995 trên mang da lớp CoFe/AlaOx/Co [9], a) Ferromagnetic layer —_> m——— Low resistance state High resistance state b) —— —> Low resistance state High resistance state Hình 1.4 a) Cau trúc hiệu ứng từ điện trở không 16 GMR; b) Cấu trúc hiệu ứng từ điện trở xuyên ham TMR. [10] 13 Hai phát hiện này đã góp phan quan trọng cho sự phát triển nhảy vot của MRAM (Magnetic Random Access Memory) — bộ nhớ RAM từ điện trở, một linh kiện nhớ với mật độ lưu trữ thông tin cao, truy cập ngau nhiên và không tự xóa. Tuy nhiên trong thé giới MRAM, hiệu ứng TMR được ưa chuộng hơn so với hiệu ứng GMR.
Lý do là cau trúc của GMR thuần các lớp kim loại, điện trở của linh kiện thường rất nhỏ nên tín hiệu sẽ không lớn. Trong khi ở các lớp tiếp xúc từ chui hằm, nhờ một lớp điện môi, điện trở của linh kiện trở lên lớn và tạo ra tín hiệu lớn hơn cho mạch điện. [11] Một 6 nhớ cơ bản của MRAM (hình 1.5) được gọi là MTI [2] [11] gồm 2 lớp từ tính kẹp giữa là một lớp cách điện mong (cỡ dưới nm). Moment từ của một lớp đóng vai trò lớp cô định (fixed layer), bị giữ cô định theo một chiêu, còn moment từ của lớp còn lại như là lớp tự do (free layer) có thê đảo (dưới tác dụng của từ trường) từ song song đến phản song song với lớp cô định do đó dẫn đến sự thay đổi về điện trở của cau hình (do sự tán xạ khác nhau của điện tử trong các trạng thái song song và phan song song).
Các bịt (0) va (1) được quy ước tương ứng với trang thái điện trở thấp và cao. ®(hResi%ntga)ec zBes Hình 1.5: Cấu trúc 1 6 MRAM cơ bản (hình trên) và mô tả các bit (0) và (1) theo trạng thái điện trở (hình dưới). [2] 14 Trên thực tế, cấu trúc thực của một MTJ phức tạp hơn nhiều (hình 1.6), mô hình trên chỉ là đơn giản hóa. Sự lưu trữ thông tin sau khi ngắt nguồn điện được xác lập nhờ sự giữ lại trạng thái của các moment từ .6 : Cau trúc day đủ của một ô MRAM.
[12] Đến nay MRAM đã được phát triển và phân loại qua cách thức ghi dữ liệu được mô tả như hình 1. Ở thé hệ MRAM dau tiên, trạng thái của các lớp từ tính được đảo bằng cách sử dụng một từ trường ngoài. Cấu trúc kiểu này yêu cầu có một bộ phận tạo từ trường và do đó tạo ra kích thước ô nhớ rất lớn, tiêu tốn khá nhiều năng lượng cho bộ phận đảo từ. Trong thé hệ mới nhất của MRAM là Spin Transfer Torque MRAM (STT- MRAM) được dao từ bằng dòng phân cực spin (spin polarized current).
Hoạt động của STT-MRAM dựa trên hiệu ứng truyền moment spin (spin transfer torque) là hiệu ứng truyền moment động lượng spin của điện tử cho một moment từ và kết qua là moment từ bị quay đi theo chiều của moment động lượng spin đó. Khi dòng phân cực spin chạy qua lớp từ tính thì moment tử của lớp này bị quay theo chiều của dòng phân cực spin. Cơ cấu kiểu này cho phép loại bỏ hoàn toàn các bộ phận phụ. giảm kích thước ô nhớ đồng thời tăng tốc độ và giảm lỗi địa chỉ.
Dòng phân cực spin Transistor a) Dao bang từ trường b) Đảo bang dòng phân cực spin Hình 1.7: Cách ghi dữ liệu của các loại MRAM. (a) MRAM đảo bằng từ trưởng (b) MRAM đảo bằng dòng phân cực spin. [13] Thẻ hệ tiếp theo của các thiết bị spintronic cần có thêm những chức năng hap dan hon, vì vậy spin của electron cần được khai thác vào ứng dụng vào chat bán dan. Do đó chat ban dan từ (ferromagnetic semiconductors) đã được nghiên cứu rộng rãi trong hai thập ky qua.
Vật liệu bán dẫn từ (ferromagnetic semiconductor - FMSs) 1. Giới thiệu về vật liệu bán dẫn từ. FMS thường được tạo thành bằng cách pha tạp một lượng lớn nguyên tô kim loại chuyên tiếp (các nguyên tô có mang điện tử trong quỹ đạo lớp d như sắt (Fe), mangan (Mn), coban (Co), crom (Cr). hoặc lớp như Lantan (La), Vanadium(V).) vao các chất bán dẫn thông thường như Silicon (Si), Gallium Arsenide (GaAs),.
Tùy vào cách sắp xếp của các hạt điện tử trong quỹ đạo lớp d hoặc lớp f mà các nguyên tử kim loại chuyên tiếp này có thé mang trong mình một moment spin nhất định, năm phân tán bên trong tinh thé của chat bán dẫn mẹ. Dưới một số điều kiện nhất định. các moment spin này có thẻ tương tác với nhau thông qua nhân tô trung gian là các hạt điện tử (hoặc lỗ trỗng mang điện tích) chuyên động tự do, vốn cũng mang spin của chính nó, và kết quả là chúng cùng xoay theo một hướng để đạt trạng thái năng lượng bên vững, hay là trạng thái sắt từ. Những vật liệu bán dan pha tạp nguyên tố kim loại chuyền tiếp đạt được trạng thái sắt từ nói trên được gọi chung là chat bán dẫn sat từ (FMS).