Desarrollo de herramientas para la simulación de dispositivos basados en semiconductores magnéticos

Abstract

Este trabajo se enmarca en un área emergente de la ciencia y la tecnología conocida como magnetrónica o espintrónica. El objetivo de esta disciplina es emplear el espín como portador de información, para el desarrollo de nuevos dispositivos que posibiliten procesar, transmitir y almacenar información de forma más eficiente. La espintrónica tiene sus orígenes en los años 70, con el estudio de uniones de metales magnéticos. En los últimos años, este campo ha sufrido un enorme impulso a raíz del descubrimiento del efecto de magnetorresistencia gigante (GMR) en sistemas multicapa de metales ferromagnéticos y su aplicación en sistemas de almacenamiento masivo. Otra de las razones del creciente interés en este tipo de tecnología ha sido la aparición de materiales semiconductores que poseen propiedades ferromagnéticas a temperatura ambiente, lo cual permite un control del estado de polarización del momento de espín de los portadores de carga en el material. Esto tiene un gran interés porque permitiría la integración de los nuevos dispositivos espintrónicos con la electrónica tradicional o incluso ser un posible sustituto tecnológico de esta debido a las supuestas mejoras que la computación mediante espín parece prometer en términos de eficiencia energética, miniaturización y velocidades de conmutación. Durante este proyecto se han desarrollo modelos analíticos y un simulador numérico, basado en el modelo de arrastre y difusión, incluyendo el nuevo grado de libertad, el espín, para la caracterización eléctrica de un dispositivo basado en materiales semiconductores magnéticos. Se ha modificado el modelo de transporte túnel, basado en la aproximación WKB, para incluir el efecto de la magnetización en los semiconductores magnéticos. Se ha incluido modelos para obtener el desdoblamiento de las bandas de energía de los semiconductores empleados a partir de variables conocidas (temperatura, concentración de impurezas y campos magnéticos externos). Se ha simulado la respuesta eléctrica y su dependencia con la temperatura, la concentración de impurezas o el nivel de magnetización de diodos Zener basados en (Ga,Mn)As y (Zn,Co)O y una unión magnética túnel con una estructura (Zn,Co)O/ZnO/(Zn,Co)O. Se ha demostrado la viabilidad del modelo de arrastre y difusión, ampliamente empleado en electrónica, para la caracterización de dispositivos espintrónicos analizando el comportamiento de la propiedad conocida como magnetorresistencia túnel (TMR) y comparando con resultados experimentales