Manipulation de spin

2.4.1 Couplage spin-orbite

Comme le démontre la section précédente, le couplage spin-orbite (SO) joue un rôle

essentiel dans la dynamique de spin. Le couplage spin-orbite est une conséquence du

caractère relativiste des porteurs [89]. Lors d’un déplacement, les champs électriques sont

ressentis par les porteurs dans leur référentiel comme un champ magnétique [58]. La

forme générale de l’hamiltonien associé au couplage spin-orbite en présence d’un champ

électrique et magnétique extérieur est donné par :

d

H

_SO

= ^h¯

4m

²₀

c

²

−

→_p

cintique

·(−→_{σ ×}^−→_{∇V) (2.35)}

aveccla vitesse de la lumière,m

₀

la masse des électrons libres,−→_{σ le vecteur associé à la}

matrice de Pauli,V le potentel électrique et p

_cintique

le moment cinétique. Ce dernier est

remplacé par le moment canonique p

_canonique

lorsqu’il n’y a pas de champ magnétique

extérieur.

Le couplage spin-orbite est d’autant plus fort que les atomes sont lourds. Cela provient de

la probabilité non nulle pour les électrons de la couche externe d’approcher le noyau et

de sentir un fort champ électrique produit par les charges non écrantées au centre (+Ze).

Dans les semi-conducteurs, le couplage spin-orbite ne dépend pas uniquement de la

vi-tesse de propagation des porteurs mais aussi de la structure de bandes électroniques.

Dans le cas des semi-conducteurs avec un centre de symétrie, comme le silicium et le

ger-manium, les symétries d’inversion spatiale et temporelle mènent à une dégénérescence

double des niveaux électroniques suivant leur spin [58]. Cette dégénérescence peut être

levée en appliquant un champ magnétique extérieur et en modifiant la symétrie

tempo-relle. Le couplage spin-orbite peut aussi être utilisé pour briser la symétrie spatiale dans

la limite du théorème de Kramers. Par exemple, cette dernière est brisée pour des

empi-lements asymétriques ce qui mène à une interaction spin-orbite de type Bychkov-Rashba

(ou Rashba). Dans le cas des semi-conducteurs non-centrosymétriques, le déséquilibre

entre les atomes dans la maille cristalline provoque un effet spin-obite de type

Dressel-haus qui lève aussi la dégénérescence en spin double des niveaux électroniques.

Les effets spin-orbite sont très importants dans les structures semi-conductrices pour la

manipulation de spin qui est la dernière des trois étapes clés pour un dispositif

spintro-nique à base de semi-conducteurs.

2.4.2 Manipulation par un champ magnétique extérieur

Historiquement, la manière la plus simple de manipuler les spins est d’appliquer un

champ magnétique. Un couple s’exerce sur le spin et l’oblige à précesser autour du champ.

Aussi appelée précession de Larmor, c’est le mouvement de rotation du moment

magné-tique autour du champ magnémagné-tique extérieur. Ce couple est donné par :

−

→

Γ =γ−→

L ∧µ

0

−→

H (2.36)

où γ est le rapport gyromagnétique, →−

L le vecteur moment cinétique et µ

₀

−→

H le champ

magnétique.

Récemment, une rotation de 4π radians du spin électronique a pu être détectée dans le

Figure 2.19 – Manipulation de l’orientation des spins en fonction du champ magnétique

en configuration non-locale. Extrait de la référence [57]

silicium par Sasakiet al.[57]. Le silicium étant faiblement dopé, cela permet d’avoir des

temps de vie de spin très longs et ainsi d’effectuer plusieurs rotations du spin.

2.4.3 Manipulation par un champ électrique extérieur

La manipulation de spin par un champ électrique est plus compliquée puisque l’effet

n’est pas direct et qu’il dépend du couplage spin-orbite. Le champ électrique est

res-senti comme un champ magnétique effectif et agit sur le spin uniquement par le biais du

couplage spin-orbite. Or, comme explicité précédemment, ce dernier reste assez faible

intrinsèquement dans les semi-conducteurs du type Si et Ge (faible numéro atomique Z).

L’objectif reste une manipulation de spin par un grille mais une attention particulière doit

être portée sur les effets purement électriques (mobilité, résistivité, ...). En effet,

l’ap-plication d’une grille modifie les caractéristiques électriques comme c’est le cas dans la

réf [57]. Tout de même, une injection efficace et importante d’un courant de spin laisse

une possibilité de manipulation comme l’exemple du gaz électronique bi-dimensionnel

dans une hétérostructure à base d’InAs [90].

L’amplification du couplage spin-orbite (par dopage, ...) du matériau reste problématique

puisque même si le contrôle du spin sera exalté, le temps de vie de spin en sera d’autant

diminué.

de spin permet, en plus de bien mieux contrôler le spin, de pouvoir polariser fortement

un courant de charge. De précédentes études expérimentales et théoriques démontrent

des effets Rashba d’interface importants avec le Ge (111) comme dans le cas du Pb/Ge

(111)(SOC≈200 meV [91]), du Bi/Ge (111) (SOC≈100 meV) où à la surface d’isolants

topologiques [92]. Mais ces éléments sont incompatibles avec les procédés de la

micro-électronique et récemment il a été démontré un fort effet Rashba (SOC≈50 meV) dans

des états métalliques de surface pour le Fe/Ge(111). Cet exemple est particulièrement

in-téressant car les états sont premièrement métalliques mais en plus créés à l’interface avec

des matériaux légers : le germanium et le fer. Le transfert de courant de charge polarisé

en spin dans le germanium est alors envisageable.

3 Techniques expérimentales

Sommaire

3.1 Le substrat de silicium/germanium sur isolant : SOI/GeOI . . . 46

3.2 Dépôt des jonctions tunnel ferromagnétiques . . . 47

3.2.1 Le dépôt par pulvérisation cathodique magnétron . . . 47

3.2.2 Épitaxie par jets moléculaires . . . 49

3.3 Micro et nanofabrication : Lithographie optique et électronique . . 56

3.3.1 Micro-structuration des dispositifs à 3 terminaux . . . 57

3.3.2 La nanostructuration des vannes de spin latérales sur les

maté-riaux semi-conducteurs . . . 59

3.4 Caractérisation des échantillons . . . 61

3.4.1 Caractérisation structurale . . . 62

3.4.2 Caractérisation magnétique . . . 65

3.5 Caractérisations dynamique et électrique . . . 67

3.5.1 Spin pumping et effet Hall de spin . . . 67

3.5.2 Caractérisation électrique à basse température et sous fort

champ magnétique . . . 70

3.5.3 Dispositifs de caractérisation électrique . . . 71

3.1 Le substrat de silicium/germanium sur isolant :

SOI/GeOI

Les substrats de silicium sont incontournables dans la micro-électronique. Le silicium

est un semi-conducteur abondant sur terre, essentiellement sous forme de minéral dans les

sables de silice. Les techniques de purification comme le tirage de Czochralski permettent

d’obtenir du silicium pur à 99,99% idéal pour la micro-électronique.

Pour l’électronique de spin, l’utilisation d’une grille permet d’étudier la modification du

nombre de porteurs et les effets d’un champ électrique sur les spins. Une manière simple

de disposer d’une grille est d’utiliser des substrats du type silicium ou germanium sur

isolant (SOI/GeOI) représenté au centre de la figure 3.1. Ils sont constitués d’un

empile-ment (du bas vers le haut) : d’une première couche de substrat de silicium dopé de 200µm

d’épaisseur, puis une couche de SiO

₂

d’une épaisseur de 1µm (aussi appelée BOX

¹

) et

enfin la couche active (silicium ou germanium) avec une épaisseur et un dopage variables.

L’application de la grille utilise le substrat de silicium à la base de l’empilement comme

premier contact et la couche supérieure du semi-conducteur comme second contact.

Les substrats que nous avons utilisés pour l’injection de spin ont été fournis par le CEA

LETI et ont été obtenus par le procédé SmartCut

^TM

détaillé sur la figure 3.1. Cette

tech-nique est basée sur le collage moléculaire entre deux substrats de silicium.

Il est important de noter que l’oxyde créé est un oxyde thermique avec une qualité

par-Figure 3.1 – Le procédé SmartCut

^TM

est une technique qui permet d’obtenir un substrat

de silicium ou germanium sur un isolant. Ce dernier sépare les deux couches de

semi-conducteur, ce qui permet d’appliquer un champ électrique sur la couche active.

faite contrairement à une oxydation par voie humide. Durant les manipulations, il a été

bien souvent difficile de fragiliser la grille (la tension de claquage est supérieure à 100 V

pour une épaisseur d’oxyde de 1µm).

La couche active supérieure de l’empilement de SOI ou GeOI est d’une épaisseur et d’un

dopage variables et les techniques d’implantation ionique nous ont permis d’obtenir des

dopages allant de : faiblement dopé (10

¹⁸

cm

³

) à fortement dopé (6.10

¹⁹

cm

³

). Ce

der-nier est dégénéré avec un nombre d’états d’impuretés non négligeable en comparaison

des états de la bande de conduction ou de valence. Cette large gamme de dopages, nous

offre une liberté d’étude importante et en particulier, à fort dopage, elle permet de

di-minuer la largeur de la barrière Schottcky à l’interface entre le contact métallique et le

semi-conducteur.

Dans le document Étude de l'injection et détection de spin dans le silicium et germanium : D'une mesure locale de l'accumulation à la détection non locale du courant de spin (Page 55-60)