Nonvolatile control of spin and charge transport in Ferroelectric Rashba Semiconductors

The steep increase of the computing power offered by the downscaling of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) electronics is reaching both physical and economical limitations. New schemes must be devised in order face the large power demand of information technology. Contrary to electric currents, pure spin currents are dissipation-less and can be used to carry information with low power consumption. In spintronics, spin currents are generated and detected through ferromagnets, whose electric switching via spin transfer torque is an energy consuming process. To avoid the use of ferromagnets, spinorbitronics exploits spin-orbit coupling in heavy metals, Rashba interfaces or topological insulators, for the electrical generation and detection via charge-spin interconversion. Rashba systems offer also the possibility of harnessing spin-orbit coupling by electric fields to control information processing (computing). Nonetheless, information is still typically encoded in the magnetization of a ferromagnet (memory). In this thesis, we propose an innovative approach based on ferroelectric Rashba semiconductors (FERSC), in which memory is provided by ferroelectricity. The father compound is Germanium Telluride (GeTe), a CMOS-compatible semiconductor predicted to display a giant Rashba spin-orbit coupling at room temperature, that can be manipulated acting on the ferroelectric state. Calculations reveal that the spin populations of the Rashba bands are inverted upon polarization reversal. Hence, the information stored in the remanent ferroelectric state can be utilized for an efficient and electrically tuned spin-charge conversion. Although GeTe is a highly doped semiconductor, we conceive a method for the control of the ferroelectric state by means of an electric gate. Based on spin- and angle- resolved photoemission spectroscopy, we demonstrate the link between Rashba effect and ferroelectricity. Then, we observe that spin-to-charge conversion in GeTe films is mainly due to spin Hall effect. The sign of the conversion is reversed by switching the ferroelectric polarization, providing nonvolatility and electric reconfigurability. Finally, we propose a path to exploit also the semiconductive behaviour of FERSC, by creating InGeTe alloys with reduced carriers concentration. FERSC materials offer the possibility of both storing and processing information in a single channel of a semiconductor, so that the ferroelectric control of spin-charge conversion can be exploited for spin based reconfigurable electronics.

Il forte aumento della potenza di calcolo offerta dal ridimensionamento dei transistori basati sulla tecnologia metallo-ossido-semiconduttore complementare (CMOS) sta raggiungendo sia un limite fisico intrinseco che uno prettamente economico. È perciò necessario elaborare nuovi schemi per far fronte al consumo di energia richiesto dalla tecnologia dell'informazione. Contrariamente alle correnti elettriche, le pure correnti di spin non comportano dissipazione e possono essere utilizzate per trasportare l’informazione con un basso consumo energetico. Nell'ambito della spintronica, le correnti di spin vengono generate e rilevate tramite ferromagneti, la cui inversione elettrica tramite spin-orbit torque è un processo ad alto consumo. Per evitare l'uso di ferromagneti, la spinorbitronica sfrutta l'accoppiamento spin-orbita in metalli pesanti, interfacce Rashba o isolanti topologici, per la generazione e il rilevamento delle correnti di spin tramite interconversione di spin-carica. I sistemi Rashba offrono anche la possibilità di manipolare l'accoppiamento spin-orbita mediante campi elettrici per controllare l'elaborazione dei dati. Tuttavia, l'informazione è ancora tipicamente codificata nella magnetizzazione di un ferromagnete. In questa tesi, proponiamo un approccio innovativo basato sui semiconduttori ferroelettrici Rashba (FERSC), in cui la memoria è fornita dalla ferroelettricità. Il composto principale è il Germanio Tellurio (GeTe), un semiconduttore compatibile con CMOS per il quale è stato predetto teoricamente un effetto Rashba “gigante” a temperatura ambiente, che può essere manipolato agendo sullo stato ferroelettrico. I calcoli rivelano che le popolazioni di spin delle bande di Rashba sono invertite in seguito all’inversione della polarizzazione. Di conseguenza, le informazioni memorizzate nello stato ferroelettrico possono essere utilizzate per una conversione di spin-carica efficiente e controllabile elettricamente. Sebbene GeTe sia un semiconduttore altamente drogato, in questa tesi sviluppiamo un metodo per il controllo dello stato ferroelettrico per mezzo di un gate elettrico. Tramite misure di fotoemissione risolta in spin e angolo, dimostriamo il legame tra l'effetto di Rashba e la ferroelettricità. Inoltre, osserviamo che la conversione da spin a carica nei film GeTe è principalmente dovuta all'effetto spin Hall. Il segno della conversione viene invertito commutando la polarizzazione ferroelettrica, la quale fornisce non volatilità e riconfigurabilità elettrica. Infine, proponiamo una soluzione per sfruttare anche il comportamento semiconduttivo dei materiali FERSC, tramite leghe di InGeTe dotati di una ridotta concentrazione di portatori liberi. I materiali FERSC offrono la possibilità sia di archiviare che di elaborare informazioni in un unico canale di un semiconduttore. Di conseguenza, è possibile sfruttare il controllo ferroelettrico della conversione di spin-carica in dispositivi elettronici riconfigurabili basati sullo spin.