Modeling Silicon Spintronics

The breath taking increase in performance of integrated circuits became possible by continuous miniaturization of CMOS devices. On this exciting path many tough problems were resolved; however, growing technological challenges and soaring costs will gradually bring ongoing scaling to an end. This puts foreseeable limitations to the future performance increase, and research on alternative technologies and computational principles becomes important.
Spin attracts attention as alternative to the charge degree of freedom for computations and non-volatile memory applications. Silicon as main material of microelectronics is characterized by negligible spin-orbit interaction and zero-spin nuclei and should display long spin coherence times. Combined with the potentially easy integration with CMOS, long spin coherence makes silicon perfectly suited for spin-driven applications, as confirmed by recent impressive demonstrations of spin injection, coherent propagation, and detection. The success of microelectronics’ technology has been well assisted by smart Technology Computer-Aided Design tools; however, support for spin applications is entirely absent.
The objective of this project is to create, test, and apply a simulation environment for spin-based devices in silicon. Microscopic models describing the physical properties relevant to the spin degree of freedom are developed. Special attention will be paid to investigate, how to increase the spin coherence time. One option is based on completely removing the valley degeneracy in the conduction band by [110] uniaxial stress. Understanding spin-polarized transport in silicon and in compatible hysteretic materials allows using the spin-torque effect to invent, model, and optimize prototypes of switches and memory cells for the 21st century.

Die atemberaubende Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltungen wurde durch die unentwegt fortschreitende Miniaturisierung der CMOS-Bauelemente ermöglicht. Auf diesem spannenden Weg wurden viele schwierige Probleme gelöst, jedoch bringen zunehmende technologische Herausforderungen und rasant steigende Kosten die weitere Skalierung schrittweise zu einem Ende. Dadurch werden die Grenzen für zukünftige Leistungssteigerungen absehbar, und die Forschung über alternative Technologien und Prinzipien der Informationsverarbeitung gewinnt an Bedeutung.
Der Spin erhält Beachtung als ein zur Ladung alternativer Freiheitsgrad für die Verarbeitung und nichtflüchtige Speicherung von Information. Silizium als wichtigstes Material der Mikroelektronik hat eine vernachlässigbare Spin-Orbit-Wechselwirkung, keinen Kern-Spin und sollte eine lange Spin-Kohärenzzeit aufweisen. Gemeinsam mit der potenziell einfachen Integration in die CMOS-Technologie macht eine lange Spin-Kohärenz Silizium perfekt geeignet für Spin-gestützte Anwendungen, wie jüngst durch beeindruckende Vorführungen von Injektion, kohärenter Ausbreitung und Erkennung von Spin bestätigt wurde. Zum Erfolg der Mikroelektronik-Technologie hat der geschickte Einsatz computergestützter Entwurfswerkzeuge für die Behandlung relevanter technologischer Fragestellungen hervorragend beigetragen; für Spin-Anwendungen fehlt diese Unterstützung jedoch völlig.
Das Ziel dieses Projektes ist die Schaffung, Überprüfung und Anwendung einer Simulationsumgebung für Spin-basierte Bauelemente in Silizium. Mikroskopische Modelle zur Beschreibung der physikalischen Eigenschaften, die für den Spin-Freiheitsgrad relevant sind, werden entwickelt. Besondere Aufmerksamkeit wird der Untersuchung, wie die Spin-Kohärenzzeit vergrößert werden kann, gewidmet. Eine Möglichkeit fußt auf dem vollständigen Entfernen der Tal-Entartung im Leitungsband unter  uniaxialer Verspannung in [110]-Richtung. Das Verständnis von polarisiertem Spin-Transport in Silizium und kompatiblen Materialien mit Hysterese ermöglicht  unter Anwendung des Spin-Torque-Effektes, Prototypen von Schaltern und Speicherzellen für das 21. Jahrhundert zu erfinden, zu modellieren und zu optimieren.