Modeling spintronic effects in silicon

Abstract

Der Elektronenspin als Freiheitsgrad zieht die Aufmerksamkeit vieler Forscher auf sich, da der Elektronenspin zwei unterscheidbare Zustände in Form der Spinrichtungen entlang einer gewählten Achse bereitstellt, die in guter Analogie zu den beiden Zuständen eines digitalen Bits stehen. Obwohl überlegungen zu spinbasierten Logikschaltkreisen bis in die 1960er zurückreichen, sind diese erst vor Kurzem realisiert worden, als elektrische und optische Manipulationen des Spins ohne der Notwendigkeit eines magnetischen Feldes eingeführt worden sind. Heute ist spinbasierte Elektronik ("Spintronik") ein sich rasch entwickelndes Forschungs- und Entwicklungsfeld, welches neue Bauteile ermöglicht, deren Charakteristiken nicht nur vergleichbar, sondern sogar jenen aktueller ladungsbasierter Bauteile überlegen sind. Um spinbasierte Bauteile herstellen zu können, müssen die Transporteigenschaften des Spins in Halbleitern genau untersucht werden. Da Silizium das weitverbreitetste Material in der modernen Mikroelektronik darstellt, sind insbesondere Spinrelaxierungdetails in Siliziumkanälen von höchstem Interesse. Außerdem wird häufig mechanische Spannung zur Steigerung der Ladungsträgerbeweglichkeit in modernen MOSFETs verwendet. In der vorliegenden Doktorarbeit wird die kp-Methode zur Untersuchung der Subbandstruktur und der Wellenfunktionen in den eingeschränkten Elektronensystemen von Siliziumschichten unter Berücksichtigung von Scherdehnung und der Kopplung von Spinorbitalen verwendet. Analytische Ausdrücke für den vierbandigen kp-Hamilton-Operator werden für den Fall eines quadratischen Potentialtopfs abgeleitet. Aus den Wellenfunktionen werden die zugehörigen Matrixelemente zur Beschreibung der Spinrelaxation berechnet. Eine Analyse der Spinlebensdauer zeigt sowohl Beiträge der Oberflächenrauheit, als auch von Elektron-Phonon-Interaktionen herbeigeführte Spinrelaxiation. Da die Entartung der ungestrichenen Subbänder durch Scherdehnung aufgehoben wird, wodurch die elastischen Zwischentalstreuungen als Hauptbeitrag zur Spinrelaxation unterdrückt werden, wird eine Erhöhung der Spinlebenszeit um eine Größenordnung in verspannten Siliziumschichten vorhergesagt. Die Verwendung von Silizium in spinbasierten Feldeffekttransistoren ("SpinFETs") ist von großem Interesse, da es die Herstellung von spinbasierten Bauteilen mittels bereits hochentwickelter Prozessierungschritte für Silizium verspricht. Durch den durch die Grenzfläche verursachten Bruch der Symmetrie der Inversion wird die vom elektrischen Feld abhängige Spin-Orbit-Interaktion in Schichten und Finnen aus Silizium verstärkt. Es wird gezeigt, dass im Falle geeignet ausgelegter Schottkybarrieren eine verstärkte Modulation des Kanalmagnetwiderstands zwischen Source bzw. Drain und dem Kanal auch bei Raumtemperatur bestehen bleibt. Um die Kanallänge reduzieren zu können, muss die Transportmasse entlang des Kanals groß sein. Basierend auf dem zweibandigen kp-Modell wird eine stärkere Abhängigkeit des Wertes für die effektive Spin-Orbit-Interaktion in siliziumbasierten SpinFETs mit in [100]-Richtung orientieren Finnen vorhergesagt, womit diese für eine praktische Realisierung bevorzugt werden sollten.

The spin degree of freedom attracts the attention of many researchers, because the electron spin offers two distinguishable states with spin up and down along a chosen axis in a good analogy to the two states of a digital bit. Although the idea of spin-based logic was already formulated in the 60ies of the last century, however, it has not been realized until recently, when electrical and optical spin manipulation without any need of a magnetic field was introduced. Nowadays, spin electronics - spintronics - is a rapidly developing research and development area which offers novel devices with characteristics not only comparable but even superior to those of the state-of-the-art charge-based devices. In order to build a spin-based device the spin transport properties in semiconducting materials must be closely examined. Because silicon is the most widely used material of modern microelectronics, the details of spin relaxation in silicon channels are of paramount interest. Also, strain is routinely used to achieve a charge carrier mobility enhancement in modern MOSFETs. In this thesis the kp method is used to examine the subband structure and the wave functions in confined electron systems of silicon films in the presence of shear strain and spin-orbit coupling. Analytical expressions for the four-band kp Hamiltonian are found in case of a square well potential. The wave functions are used to evaluate the corresponding spin relaxation matrix elements. The analysis of the spin lifetime comprises contributions from surface roughness and electron-phonon mediated spin relaxation. Because the unprimed subband degeneracy is lifted by shear strain, thus suppressing the most important elastic intervalley contribution to spin relaxation, the spin lifetime enhancement by an order of magnitude in strained silicon films is predicted. Utilizing silicon in spin-based field-effect transistors (SpinFETs) is of a great interest, since it promises to build spin devices using the well developed silicon processing. Due to the interface induced inversion symmetry breaking the strength of the electric field dependent spin-orbit interaction is enhanced in thin silicon films and fins. It is shown that in case of properly designed Schottky barriers between the source/drain and the channel a pronounced modulation of the channel magnetoresistance persists at room temperature. In order to reduce the channel length, the transport mass along the channel must be large. Based on the two-band kp model for the conduction band, a stronger dependence on the value of the effective spin-orbit interaction in silicon SpinFETs with a [100]-oriented silicon fins is predicted, making them preferable for practical realization.