Effet tunnel dépendant du spin : Des simples aux doubles ... - LPM

Elaboration de jonctions tunnel
électrique et que l'oxydation était uniquement contrôlée par la diffusion des espèces 1 . Le flux
va alors être proportionnel à un gradient de concentration dans l'oxyde. Ce gradient est
inversement proportionnel à l'épaisseur de l'oxyde, X. On obtient donc une loi de croissance
parabolique 2 :
dX
∝
dt X
1 2
et X ∝ t
En fait, lorsque l'épaisseur de la barrière est faible (c'est le cas qui nous intéresse), il
faut alors prendre en compte l'effet du champ électrique. Dans le cas de l'oxydation thermique
(dont l'oxydation à température ambiante est un cas particulier!), le champ électrique provient
de l'égalisation des potentiels chimiques du métal et de l'oxygène adsorbé en surface (fig. 2).
Pour l'aluminium, la différence de potentiel est de l'ordre du volt.
oxyde
oxygène
métal métal
32
oxyde
Niveau
électronique
Fig. 2 : Equilibrage des potentiels chimiques et création d'un champ
électrique dans l'oxyde lors de l'adsorption d'oxygène.
!
E
oxygène
Pour les couches très minces (de l'ordre du nm), cette différence de potentiel se maintient
par transfert d'électrons (par effet tunnel ou émission thermoionique). Les champs
électriques sont alors très importants (de l'ordre de 10 7 V/cm). A de tels champs, un ion
injecté dans l'oxyde est immédiatement transporté à l'interface opposée 3 . C'est donc la vitesse
d'incorporation de ces ions qui limite l'oxydation. On obtient alors une vitesse d'oxydation de
la forme :
dX ⎛ W ⎞ X
∝ ⎜ ⎟ −
dt ⎝ kT ⎠ X
⎛ 1 ⎞
exp exp⎜
⎟
⎝ ⎠
où W est une énergie liée à la dissolution d'un ion dans l'oxyde et X1 une longueur caractéristique
liée à l'action du champ. La réaction est donc très rapide puis s'atténue ensuite.
En dessous d'une température critique T0, la réaction va s'arrêter 4 à une certaine épaisseur XL,
(autopassivation) :
kT X1
W
X L = avec T
T
0 =
W −
39k
1 T0
1
En fait, on ne néglige pas le champ mais on montre facilement que s'il est suffisamment faible pour que le
courant ionique lui soit proportionnel et qu'il n'y a pas de zones chargées dans l'oxyde, l'électro-neutralité
entraîne la présence d'un courant électronique qui annule les effets du champ. On peut alors ne considérer que la
diffusion de l'espèce en utilisant un coefficient de diffusion effectif prenant en compte les mobilités des ions et
des électrons (ou des trous le cas échéant).
2
2
En tenant compte des vitesses de réaction à l'interface, on obtient une loi de la forme X X
+ = t +τ
k k
.
p L
3 Dans cette gamme de champs, la vitesse augmente même exponentiellement avec le champ.
4 Mathématiquement, la vitesse n'est jamais nulle. La valeur de T0 dépend donc de la définition du critère d'arrêt
de l'oxydation.