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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-44389
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4438/


Herstellung und Charakterisierung epitaktischer Ni2MnIn Heusler/Halbleiter-Hybridsysteme

Preparation and Characterization of epitaxial Ni2MnIn Heusler/Semiconductor Hybrid Systems

Volland, Andreas

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SWD-Schlagwörter: Heuslersche Legierung , Nickellegierung , Magnetoelektronik , Molekularstrahlepitaxie , Indiumarsenid , Mikroskopie , Beugung , Spinpolarisation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Metall-Halbleiter-Hybridsystem , InAs-Hemt , metamorpher InAlAs-Buffer , 3D CAD , Metall-MBE
Freie Schlagwörter (Englisch): heusler alloys , molecular beam epitaxial growth , magnetic thin films , crystal structure , metal semiconductor heterostructure hybrids
Basisklassifikation: 33.16 , 33.75 , 51.54 , 33.72 , 50.94
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hansen, Wolfgang (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.11.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 17.02.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Die Heuslerlegierung Ni2MnIn ist ein idealer Kandidat für spininjizierende, ferromagnetische Elektroden bei zukünftigen spintronischen Bauelementen auf Basis von InAs(001). In dieser Dissertation wurde untersucht, wie sich die Wachstumsparameter Substrattemperatur und Schichtdicke auf morphologische, strukturelle, magnetische und elektrische Eigenschaften von Ni2MnIn-Heusler/Halbleiter-Hybridsystemen auswirken. Die Heuslerdeposition erfolgte mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf kontaminationsfreie Halbleiteroberflächen in einer hierfür aufgebauten Metall-Wachstumskammer. Diese ist über einen in-vacuo Transfer mit einer kommerziellen III/V-Halbleiter-MBE verbunden. Das Konzept einer neuen, optimierten Metall-MBE wurde später mittels 3D-CAD konstruktiv umgesetzt. Die Untersuchung der hergestellten Ni2MnIn/InAs(001)-Proben ergab, dass Zwischengitter-Diffusion von Arsen aus dem Substrat in die Heuslerschicht bei einer Wachstumstemperatur oberhalb von 80 °C zur Ausbildung einer Reaktionszone führt, deren Dicke mit zunehmender Substrattemperatur weiter ansteigt. Für die optimale Wachstumstemperatur von Ni2MnIn auf InAs(001) in der L21-Phase wurde ein Fenster zwischen 250 °C und 300 °C bestimmt. Unterhalb 250 °C liegt die Heuslerschicht in der B2-Phase vor, oberhalb 300 °C setzt eine starke Zunahme der Grenzflächenreaktion ein. Sowohl Substrattemperatur als auch Schichtdicke zeigten in Messungen einen Einfluss auf die Spinpolarisation, die Curietemperatur und die kristallographische Phase der durchweg ferromagnetischen Ni2MnIn-Heuslerschichten. Die höchste Curietemperatur von Tc = 315 K wurde an einer 100 nm dicken, bei 300 °C gewachsenen Ni2MnIn-Schicht gemessen. Heuslerschichten auf InAs(001) mit optimaler Wachstumstemperatur und mit 100 nm Dicke weisen die höchsten Werte der mittels Magneto-Optischer Ellipsometrie bestimmten Spinpolarisation auf. Während bei 250 °C hergestellte Proben ein klassisches pseudomorphes Wachstum unter Spannungsabbau durch tetragonale Verzerrung auftritt, wurde für Probenwachstum oberhalb 300 °C eine <1-10>-Orientierung der Ni2MnIn-Elementarzelle relativ zur InAs(001)-Substratoberfläche beobachtet. Beim Wachstum von Ni2MnIn auf einer modulationsdodierten InGaAs/InAs/InGaAs-Heterostruktur mit metamorphem In75Al25As-Puffer auf GaAs(001) wurde in Röntgenbeugungsexperimenten eine Verbeiterung des InAs-Signals vom pseudomorph verspannten und unrelaxierten InAs-Kanal beobachtet. Bei den Reflexen des metamorphen Puffers war im Vergleich zu einer Referenzprobe ohne Heuslerschicht keine Veränderung erkennbar, abgesehen von einer Abnahme der Signalintensität. Die Verwendung solcher Heusler/InAs-HEMT-Hybridstrukturen ist für die zukünftige Realisierung eines Spin-FET vielversprechend.
Kurzfassung auf Englisch: The Heusler alloy Ni2MnIn is an ideal candidate material for spin injecting ferromagnetic electrodes of future spintronic devices based on InAs(001) semiconductors. This thesis reports on the influence of growth parameters such as substrate temperature and layer thickness on morphological, structural, magnetic and electronic properties of Ni2MnIn Heusler/Semiconductor hybrid systems, grown with molecular beam epitaxy (MBE). For Heusler alloy deposition on fresh and clean semiconductor surfaces a custom made, home built metal growth chamber was used, that connects to a commercial III/V semiconductor MBE via an in-vacuo transfer system. Improved concepts of a new and optimized metal MBE system have been embodied in a 3D CAD construction during later work. Investigations on the grown Ni2MnIn/InAs(001) samples revealed, that during growth beyond 80 °C an intermixing layer arises at the Heusler/substrate interface which is formed by diffusion of arsenic from the substrate to the deposit. The intermixing process is found to take place via interstitial sites and becomes increasingly severe with rising growth temperature. The optimum growth temperature for deposition of Ni2MnIn on InAs(001) in the desired L21 phase was found to be between 250 °C and 300 °C. Below 250 °C the Heusler film is crystalized in the B2 phase, above 300 °C the onset of increasingly strong interfacial reactions is observed. All Ni2MnIn films on InAs are ferromagnetic, with substrate temperature as well as layer thickness having an influence on resulting spin polarization, Curie temperature and crystallographic phase. The highest Curie temperature of Tc = 315 K was measured on a 100 nm thick Ni2MnIn film, grown at 300 °C on InAs(001). Heusler layers with 100 nm thickness and grown within the optimum temperature range were found to posses the highest spin polarization in magneto-optical ellipsometry investigations. While samples grown at 250 °C undergo classical pseudomorphic strain relaxation via tetragonal distortion of the deposited layer, a <1-10> orientation of the Ni2MnIn unit cell in relation to the InAs(001) substrate surface was observed for sample growth beyond 300 °C. The growth of Ni2MnIn on modulation doped InGaAs/InAs/InGaAs heterostructures with metamorphic In75Al25As buffer on GaAs(001) substrate did not result in relaxation phenomena of the pseudomorphic strained InAs channel. Investigations using x-ray diffraction revealed only a peak broadening of the InAs maximum. The diffraction signal signature of the metamorphic buffer did not change in comparison to a reference sample without Heusler layer. Only a decrease in signal intensity was observed. The application of such Heusler/InAs-HEMT hybrid structures is promising for the future implementation of a Spin-FET.

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