La nanoélectronique ne peut être que quantique - CEA

de large) dans une nanostructure réalisée par lithographieélectronique, puis en les faisant disparaîtresuccessivement sous l’action d’un champ magnétiqueexterne,les chercheurs du CEA ont pu déterminer précisémentleur contribution à la résistivité électrique(figure 4). Cette expérience a apporté un soutien décisifà l’une des théories auparavant proposées. Si l’effetest très faible, des voies peuvent être envisagées pouren tirer un meilleur parti en localisant la paroi magnétiquedans une nanoconstriction, où quelques atomesseulement séparent deux régions d’aimantation opposées.Les résultats publiés dans des géométries adéquatessontencore sujets à controverse, mais des mesurestrès récentes ont montré que la magnétorésistancede ces parois peut alors atteindre 30%. L’amplitudede l’effet obtenu est alors intéressante et permet d’imaginerà terme de nouvelles applications.Des semi-conducteurs magnétiquesBien au-delà des applications actuelles de la spintronique,un vaste champ de recherche est maintenantouvert à la jonction des physiques du magnétisme etdes semi-conducteurs. Celui-ci devrait aboutir à unenouvelle génération de composants électroniques(classiques et quantiques) basés sur la manipulationde la charge et du spin (degré de liberté intrinsèque del’électron). Étape indispensable, l’injection contrôléede spins dans un semi-conducteur peut être réalisée àpartir d’un métal ferromagnétique au travers d’uneforte résistance d’interface ou bien directement à partird’un semi-conducteur ferromagnétique. Ces deuxvoies d’injection présentent des avantages et des difficultésparticulières et sont explorées au CEA.Ainsi, lesmétaux ferromagnétiques sont des sources d’électronspolarisés bien maîtrisées et opérationnelles jusqu’àdes températures élevées. Cependant, l’injection despin depuis ces métaux vers un semi-conducteur posedes problèmes délicats liés à la grande différence desrésistivités électriques des deux matériaux. Pour ladeuxième solution, des semi-conducteurs de type IV(Si, Ge), III-V (GaAs, InAs) ou II-VI (ZnTe, CdTe),intégrables à la micro ou l’opto-électronique, sontdopés par des ions magnétiques comme le manganèse.Ces ions en substitution peuvent interagir par l’intermédiairedes porteurs pour aboutir à un ordre ferromagnétique,mais les températures de mise en ordrerestent très basses, et la recherche d’une phase semiconductrice,ferromagnétiqueà température ambianteconstitue l’un des défis actuels de l’électronique de spin.Le travail récemment réalisé au CEA/Grenoble (en collaborationavec le laboratoire de spectrométrie physiquedu CNRS) sur le contrôle du ferromagnétisme par l’injectionde porteur dans un semi-conducteur permetd’illustrer les progrès actuels.Dans les semi-conducteursmagnétiques tels que GaMnN ou CdMnTe, le ferromagnétismes’explique par l’alignement des spins portéspar les atomes de manganèse sous l’effet d’une interactiond’échange via la polarisation des porteurs de charge(trous) du semi-conducteur (phénomène appelé interactionRKKY).De tels matériaux sont très intéressantscar il est possible d’ajuster leurs propriétés magnétiquesen jouant sur la concentration des porteurs par la simpleapplication d’une tension électrique au dispositif.Pour ce faire,le semi-conducteur magnétique est insérédans une diode, et ses propriétés magnétiques sontdéduites de mesures de photoluminescence (figure 5):sous tension nulle,le système est ferromagnétique avecune température de Curie (2) de 3 K. Au-delà de cette(2) Température de Curie : température (souventimproprement nommée point de Curie) spécifiquede chaque substance, au-dessus de laquelle les matériauxferromagnétiques deviennent paramagnétiques(qui s’aimantent faiblement dans ce même sens).Première jonction tunnelmagnétique submicroniquepour mémoire MRAMréalisée par le laboratoireSpintec (largeur : environ300 nm).Spintecphotoluminescence (u.a.)barrièredopée pnon dopéedopée na4,2 K3,032,802,192,051,87Vpuits quantiquemagnétiquecouche type n1,651.65 1,65- 1V1,49 K1,49 K01690 1700 1710 1700 17102 3 4b énergie (meV)c énergie (meV)d température (K)O V- 1 V0 V - 1 V4,2 K2,972,822,192,051,88aimantation (u.a.)V10couche type pO Vp ~ 3 10 11 cm -2E Fp ~ 0T c ~3 KH. BOUKARI et al., Phys. Rev. Lett. 88, 207204 (2002)Figure 5.Contrôle des propriétésmagnétiques d’un puitsquantique de CdMnTe parajustement des populationsde porteurs. Le puitsquantique (a) est inséré dansune diode p-i-n, en référenceau dopage des couches desemi-conducteur : p : positif,n: négatif, i : intrinsèque(absence de dopage) quipermet d’appliquer unetension et de modifier lesconcentrations de porteurs(trous). En b, la séparation dela raie de photoluminescenceobservée en champ nul révèleune aimantation spontanéequi apparaît à bassetempérature, l’alignementdes spins des atomes demanganèse étant permispar l’interaction transmisepar les porteurs de charge.En c, le système dépourvu deses porteurs par une tensionde – 1 V reste dans l’étatparamagnétique.En d, l’aimantation enfonction de la température,sous tension nulle et sous 1 V.CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 13