Ключевым элементом традиционной микроэлектроники является полевой транзистор, в основе которого лежит идея управления электрическими токами с помощью напряжения на затворе. В этой связи вполне естественными выглядят попытки создания на сходных принципах устройств спиновой электроники, в которых управление магнитными моментами свободных электронов осуществлялось бы с помощью электрического напряжения. Такой магнитоэлектрический полевой транзистор может служить мостиком между спинтроникой и традиционной электроникой, граница соприкосновения которых быстро растет вместе с индустрией магнитной памяти.

Рис. 1. Схема магнитоэлектрического полевого транзистора: Au gate – затвор из золота, (P(VDF-TrFE) –полимер со спонтанной электрической поляризацией (polyvinylidene fluoride trifluoroethylene), (Ga,Mn)As – проводящий канал из магнитного полупроводника, GaAs – подложка.

В этом году сделан очередной шаг на пути к созданию магнитоэлектрического транзистора – управляющее напряжение понижено с десятков до единиц вольт. На рис. 1 приведена схема устройства: изменяя электрический потенциал затвора и переключая, тем самым, электрическую поляризацию в изолирующем слое, исследователям удавалось фиксировать два состояния с различной концентрацией дырок в проводящем канале на основе полупроводника (Ga,Mn)As. Эти два состояния характеризовались различными магнитными и магниторезистивными свойствами.

Способ, с помощью которого удалось понизить управляющее напряжение, основан на очень простой идее: уменьшение расстояния между электродами позволяет достигать необходимой напряженности электрического поля при меньших напряжениях. Казалось бы, идея очевидная и могла бы быть реализована и раньше, но дело в том, что для сегнетоэлектрических материалов простое правило масштабирования напряжения U ~ d, где d – толщина слоя, справедливо лишь до определенной критической толщины. Причиной этому служит наличие пассивного деполяризующего слоя, который всегда присутствует на поверхности сегнетоэлектрика. Толщина этого нечувствительного к электрическому полю слоя зависит от соотношения между диэлектрической константой сегнетоэлектрика и константой пассивного слоя. Таким образом, высокая диэлектрическая постоянная, присущая большинству сегнетоэлектриков ограничивает дальнейшее уменьшение толщины изолирующего слоя транзистора. В этом смысле уникален полимерный материал, используемый учеными: он сочетает значительную поляризацию (~ 10 мкКл/см²) с относительно небольшой диэлектрической постоянной, что позволяет уменьшать толщину изолирующего слоя до 20- 30 нм без заметного деполяризующего эффекта. Так сокращение толщины слоя с 200 нм до 60 нм приводит к ожидаемому уменьшению поля переключения в три раза.

Каким образом происходит считывание информации в данном устройстве? Для этого даже не нужно измерять намагниченность полупроводника, что потребовало бы работы при низких температурах (температура Кюри материала Т_С ~ 56 К). Оказывается, индуцированное электрическим полем упорядочение спинов приводит к изменению их сечения рассеяния, которое проявляется и при комнатной температуре в виде 7-процентного изменения проводимости канала.

Источник информации - заметка А.Пятакова в бюллетене ПерсТ, выпуск 10 за 2009 г.