Structural, magnetic and electrical investigation of Iron-based III/V-semiconductor hybrid structures

Abstract

The major goal of this dissertation was to investigate the structural, magnetic and electrical properties of the following hybrid structures: iron on modulation-doped GaAs (001), iron/MgO/modulation-doped GaAs (001) and iron on inverted, modulation-doped InAs heterostructures. The semiconductor structures were fabricated using regular III/V-semiconductor molecular-beam epitaxy (MBE) chambers. A metal MBE chamber and MgO UHV chamber were built and assembled to deposit iron films and insulating MgO films.

Reflection high-energy electron diffraction experiments demonstrated epitaxial relationships between the materials of the hybrid structures. The experiments revealed that the misfit strain of iron films had different relaxation behaviors on GaAs, MgO and In0.75Al0.25As. At the iron/GaAs interface, intermixing led to the formation of Fe3GaAs and Fe2As.

In experiments investigating the iron film's in-plane magnetic properties, the crystal directions of the magnetic axes were determined and the thickness-dependence of magnetic anisotropies were studied using magneto-optic Kerr effect microscopy. The results showed different thickness dependencies of uniaxial and cubic anisotropies on GaAs and In0.75Al0.25As substrates. Iron films on MgO exhibited a thickness independent uniaxial anisotropy. Thereby, the magnetic axes were rotated by 90° relative to the ones on GaAs and In0.75Al0.25As. Mono- and multidomain states during external magnetic field sweeps were identified for each hybrid system.

The electrical properties were investigated by conducting two-terminal current-voltage experiments. The results revealed Schottky barriers at the iron/GaAs and iron/InxAl1-xAs interfaces with varying resistances. The iron/MgO/GaAs interfaces with 2 nm, 4nm and 6 nm-thick MgO films exhibited a combination of a trapezoidal shaped barrier and a Schottky barrier. Post-deposition annealing of the iron/MgO/GaAs structures drastically changed the resistivity of the interfaces. Temperature-dependent experiments identified the transport mechanisms across the different barriers.

In addition, the strain relaxation mechanisms of step-graded metamorphic InxAl1-xAs buffers on GaAs (001) substrates with an additional AlAs/GaAs superlattice (SL) were examined using high-resolution X-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM). The experiments revealed that strain between the substrate and the structure's top layer relaxes through the AlAs/GaAs SL and also by displaced periodic sections within the metamorphic buffer.

Finally, the electron mobility of inverted, modulation-doped InAs heterostructures with different indium contents was determined by performing magneto-transport experiments. The carrier concentration dependence of the electron mobility demonstrated that remote impurity scattering is the main limiting factor for the electron mobility. Furthermore, the data revealed a correlation between electron mobility and surface morphology, which was imaged using AFM. Lattice relaxation within the 4 nm-thick InAs channel, and thus the generation of misfit dislocations, suggested scattering at charged dislocations as the main reason for the reduced mobility anisotropy at low indium contents.

In conclusion, this study determined the major material characteristics of iron-based III/V-semiconductor hybrid structures. These findings have particular relevance to future spintronic applications.

Das Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung der strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften der folgenden hybriden Strukturen: Eisen auf modulationsdotierten GaAs (001), Fe/MgO/modulationsdotiertes GaAs (001) und Eisen auf modulationsdotierten InAs Heterostrukturen. Die Halbleiterstrukturen wurden mit III/V-Halbleiter Molekularstrahlepitaxieanlagen (MBE) hergestellt. Eine Metall MBE Kammer und eine MgO UHV Kammer wurden konstruiert und aufgebaut, um Eisen und nicht leitende MgO Filme zu deponieren.

Experimente der Beugung hochenergetischer Elektronen bei Reflexion wiesen epitaktische Beziehungen zwischen den Materialien der hybriden Strukturen auf. Die Ergebnisse zeigten, dass die auf den GaAs, MgO und In0.75Al0.25As Substraten verspannten Eisenfilme unterschiedlich relaxierten. An der Fe/GaAs Grenzfläche führte Durchmischung zu der Formation von Fe3GaAs und Fe2As.

Die magnetischen Eigenschaften der Eisenfilme in der Ebene wurden mit magnetooptischer Kerr Effekt Mikroskopie untersucht, um die Kristallrichtungen der magnetischen Achsen der Filme zu bestimmen und die Schichtdickenabhängigkeit der magnetischen Anisotropie zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten unterschiedliche Schichtdickenabhängigkeiten der uniaxialen und kubischen Anisotropie auf GaAs und In0.75Al0.25As Substraten. Die Eisenfilme auf MgO/GaAs wiesen eine schichtdickenunabhängige uniaxiale Anisotropie auf. Die magnetischen Achsen der Anisotropie waren dabei um 90° gedreht relativ zu denen von Eisenfilmen auf GaAs und In0.75Al0.25As Substraten. Mono- und multidomäne Zustände wurden für jedes hybride System identifiziert.

Die elektrischen Eigenschaften wurden mit Zweipunkt Strom-Spannungsexperimenten untersucht. Die Ergebnisse zeigten Schottky Barrieren an den Fe/GaAs und Fe/InxAl1-xAs Grenzflächen mit variierenden Widerständen. Die Fe/MgO/GaAs Grenzflächen mit 2 nm, 4nm and 6 nm-dicken MgO Filmen wiesen eine Kombination aus trapezförmigen Barrieren und Schottkybarrieren auf. Erhitzen der hergestellten Fe/MgO/GaAs Strukturen veränderte die Widerstände der Grenzflächen drastisch. Temperaturabhängige Experimente identifizierten die Transportmechanismen durch die Grenzflächen der verschiedenen hybriden Strukturen.

Mit hochauflösender Röntgendiffraktion und Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurde der Mechanismus untersucht, welcher zum Verspannungsabbau in schrittweise gradierten metamorphen InxAl1-xAs Puffern auf GaAs (001) Substraten mit einem zusätzlichen AlAs/GaAs Supergitter (SL) führt. Die Experimente zeigten, dass sich die Verspannung zwischen dem Substrat und den obersten Schichten der Struktur durch das AlAs/GaAs SL und durch verschobene periodische Strukturen in dem metamorphen Puffer abbaut.

Die Elektronenmobilität von invertierten, modulationsdotierten InAs Heterostrukturen mit variierendem Indiumgehalt wurde mit Magnetotransportexperimenten untersucht. Die Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration demonstrierte, dass Streuung an Störstellen der limitierende Faktor für die Elektronenmobilität ist. Des Weiteren zeigten die Daten, dass die Elektronenmobilität und Oberflächenmorphologie, welche mit AFM abgebildet wurde, miteinander korrelieren. Streuung an geladenen Versetzungen durch die Relaxation des 4 nm-dicken InAs Kanals und die Formation von Fehlversetzungen ist der Hauptgrund für die reduzierte Mobilitätsanisotropie bei geringen Indiumkonzentrationen.

Zusammenfassend untersucht diese Studie die Hauptmaterialcharakteristiken von Eisenbasierten III/V-Halbleiter Hybridstrukturen. Diese Ergebnisse haben teilweise Relevanz für zukünftige spintronische Anwendungen.