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Hamburg, Carl von Ossietzky

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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-92553
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9255/


Investigation of strained interfaces of Fe/(Ga, Al, In)As based spintronic heterojunctions

Untersuchung von gespannten Grenzflächen von spintronischen Heteroübergängen auf der Basis von Fe /(Ga, Al, In)As

Tholapi, Gowri santhosh Nag Rajkiran

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Freie Schlagwörter (Englisch): Semiconductors , Spin-electronics , X-ray Diffraction , Strain-Mapping , Epitaxy
Basisklassifikation: 33.05 , 33.61 , 33.75 , 33.72 , 33.68
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hansen, Wolfgang (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.10.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 13.08.2018
Kurzfassung auf Deutsch: Der Spin-Elektronik oder Spintronik wird großes Potential für die Ablösung der derzeitigen, auf Feldeffekttransistoren (MOSFETs) basierenden Datenverarbeitungstechnologie zugeschrieben. Für die Realisierung von Spintronik-Bauelementen, die Spinströme im Halbleiter generieren oder detektieren können, sogenannte Ferromagnet-Halbleiter (FH)-Spinventile, werden derzeit eine ganze Reihe von möglichen Kombinationen unterschiedlicher Materialien untersucht. Zwingend notwendig für die Ablösung der MOSFET-Technologie durch Spintransistoren ist eine hohe Spininjektionseffizienz, von der die bisher an Ferromagnet-Halbleitergrenzflächen nachgewiesenen Effizienzen noch weit entfernt sind. Essentiell für die Entwicklung neuer, hoch effizienter Spintronik-Bauelemente ist folglich ein grundlegendes Verständnis des strukturellen Aufbaus der FH-Grenzflächen.

In dieser Dissertation werden die strukturellen Eigenschaften von Grenzflächen zwischen einem Eisenfilm (Fe) und verschiedenen III-V Halbleitern untersucht. Außerdem wurden die Auswirkungen der beobachteten strukturellen Eigenschaften auf die Spininjektion betrachtet. Insgesamt wurden drei Materialsysteme studiert: Fe auf epitaktischem, moderat dotiertem (001) GaAs, Fe auf InGaAs/InAs Quantentöpfen und Fe auf (001)-GaAs mit einer Zwischenschicht aus MgO. Die Spininjektion in den beiden erstgenannten Materialsystemen wurde erfolgreich in elektrischen Transportexperimenten nachgewiesen. Hierzu wurden sogenannte nichtlokale Spinventil-Anordnungen verwendet. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bilden aber die strukturellen Studien der Eisenschichten unter Einwirkung interner und externer Verspannung.

Im Detail erfolgte an Fe/GaAs Grenzflächen eine Variation der Fe-Film-Depositionstemperatur sowie die nachträgliche Behandlung in einem Temperprozess. Entsprechende strukturelle Untersuchungen wurden mit verschiedenen Röntgenmethoden sowohl im Labordiffraktometer als auch in Synchrotonlaboren durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass die Fe-Schichten kompressiv verspannt sind und dass die Verspannung durch einen Temperprozess bei 200°C nach dem Wachstum beeinflusst wird. Darüber hinaus weisen Röntgenbeugungsexperimente unter streifendem Einfall auf die Existenz einer Fe3GaAs Phase an der Grenzfläche hin, die ebenfalls durch den Temperprozess bei 200°C beeinflusst wird. Zudem ergibt sich durch den Temperprozess eine signifikante Änderung der Spininjektionseffizienz. Während zunächst an den Grenzflächen keine Spininjektion nachgewiesen werden konnte, wurde nach einem ersten Temperprozess eine Spininjektionseffizienz von 5,5% gemessen. Nach einem zweiten Temperprozess war die Effizienz mit 2,6% jedoch wieder reduziert.

Darüber hinaus wurden strukturelle Studien an einem InGaAs/InAs Quantentopf eingebettet in InAlAs durchgeführt. Ein Gesichtspunkt war dabei die lokale Kristallinität der metamorphen InxAl1-xAs Pufferschicht, auf der der elektronisch aktive Quantentopf deponiert wird. Informationen über die strukturellen Eigenschaften sind hier essentiell weil die Relaxation der Verspannung zu einer lokalen Verkippung der Kristallebenen und Veränderung der Komposition des Films führt, die sich global in einem sogenannten Cross-Hatch Muster auf der Kristalloberfläche niederschlagen. Dieses Muster wiederum führt zu einer Nichtplanarität des Quantentopfes, welche sich auf die Tranporteigenschaften auswirken kann. Die lokale strukturelle Beschaffenheit dieser Filme wurde daher mit scanning diffractive imaging untersucht, wobei zwei vom Indiumgehalt abhängige Netzwerke von Defekten gefunden wurden.

Spininjektionsexperimente an entsprechenden InGaAs/InAs Quantentöpfen zeigen, dass der Spintransport in diesen Systemen semiballistisch ist. Die aus den Tranportexperimenten ermittelten Resultate für die Spininjektionseffizienz zeigen weiterhin, dass das hierfür verwendete, ballistische Modell nicht ausreicht. Eine Ursache dafür wird darin vermutet, dass die in unserem System vorliegende Anisotropie der Spinbahn-Wechselwirkung in dem Modell nicht berücksichtigt wurde.

Im dritten und letzten System, das in dieser Arbeit untersucht wurde, befindet sich ein dünner MgO Film zwischen der Fe-Elektrode und dem GaAs Substrat. Im Gegensatz zu den anderen beiden Systemen wurden hier die Fe/MgO/GaAs Grenzflächen mittels hochaufgelöster Transmissions-Elektronenmikroskopie auf atomarer Skala untersucht, um den Einfluss von Filmdicke und Depositionsbedingungen des MgO auf die Morphologie und die magnetischen Eigenschaften des Fe-Films aufzuzeigen. Die strukturellen Studien beinhalten insbesondere auch ortsaufgelöste, energiedispersive Elementuntersuchungen (EDS-mapping) und Röntgenreflektrometrie-Messungen, um die Durch mischung der Filmzusammensetzung an der Grenzfläche aufzuklären. Messungen des magneto-optischen Kerreffekts (MOKE) zeigen eine zur Schichtebene parallele Magnetisierung des Fe-Films der Fe/MgO/GaAs Strukturen sowie eine Koexistenz von uniaxialer und kubischer Anisotropie. Bei unterschiedlichen Depositionsbedingungen variiert dabei die Art der dominierenden Anisotropie.

Neben den oben aufgeführten, strukturellen Untersuchungen und Spininjektionsexperimenten wurde im Rahmen dieser Arbeit eine in-situ Technik entwickelt, um den Effekt eines externen Drucks auf den Verspannungszustand in Spintronik-Bauelementen zu untersuchen. Diese Technik umfasst die Integration eines Rasterkraftmikroskops in Diffraktometern an Synchrotronexperimenten für Röntgenmikroskopie und ermöglicht so den gleichzeitigen Zugang zum reellen und reziproken Raum unter externem Druck. Diese Entwicklung erlaubt Abbildung und Ausrichtung von Mikrostrukturen sowie deren Untersuchung bei gleichzeitiger Manipulation.
Kurzfassung auf Englisch: Spin electronics or spintronics is identified as one of the potential technologies to replace the currently prevailing metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) technology for information processing. For realization of spintronic devices like spin-valves in which spin currents are injected and detected, a large combination of ferromagnet-semiconductor (fm-sc) interfaces are being investigated. To replace the current MOSFET technology with the spin-transistors, high spin-injection efficiency is necessary which is not yet reported. Therefore, understanding the structural state of these fm-sc interfaces is essential for fabricating highly efficient future spintronic devices.

This dissertation describes the investigation of structural properties of Fe/III-V semiconductor interfaces. This work also encompasses the correlation of the observed structural state to the measured spin-injection across the interface. These investigations are performed on three material systems, namely Fe on moderately doped GaAs (001), Fe on InGaAs/InAs quantum wells and Fe on MgO/GaAs surfaces. Spin injection across the first two material systems is successfully measured by using an all electrical non-local spin-valve setup. In this work the emphasis is on the structural studies conducted on Fe layers under the influence of intrinsic and extrinsic strain.

Structural investigations are performed on Fe/GaAs interfaces that are grown as a function of Fe layer deposition temperature and subjected to post growth annealing cycles. These investigations are performed by utilizing various X-ray scattering geometries available at both laboratory and third generation synchrotron facilities. The Fe layers in this system are found to be compressively strained and this strain state is observed to be influenced by post-growth annealing at 200°C. In addition, grazing incidence diffraction measurements reveal the existence of a Fe3GaAs phase at the interface which is also observed to be influenced by post-growth annealing. In correspondence, the spin-injection efficiency across the interface is also affected by the post-growth annealing which was non-existent before annealing. But, after first annealing cycle, it increased to a value of 5.5%. However, after a second annealing cycle, the spin-injection efficiency is reduced to 2.6%.

The structural investigations were also performed on Fe/InGaAs/InAs quantum wells material system to study the local crystallinity of InxAl1-xAs buffer layers on which the active layers containing quantum well are deposited. The structural information of these buffer layers is essential, because the strain relaxation leads to local tilt of lattice planes and composition variation resulting in cross-hatches at the surface of the heterostructure. These cross-hatches in turn determine the non-planar nature of the quantum well. Therefore, the local structural integrity of these layers is probed by using scanning diffractive imaging which revealed two networks of defects that vary as function of Indium content.

The spin-injection measurements performed on InGaAs/InAs quantum wells reveal that spin-transport occurs in the semi-ballistic regime in this system. However, the obtained spin-injection results also indicate that a ballistic model proposed for calculating the spin-injection efficiency is inadequate as it does not take the crystallographic anisotropy of Spin-orbit interaction.

The last system that is investigated in this thesis is the Fe/MgO/GaAs interface. Unlike the other two material systems, the Fe/MgO/GaAs interface is characterized on an atomic scale by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM )to reveal the influence of the MgO thickness and its deposition conditions on the morphology and magnetic characteristics of Fe layers. The structural studies including energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping and X-ray reflectivity (XRR) analysis are also performed to study the relevance of intermixing at the interface. The magneto-optic Kerr effect (MOKE) investigations reveal that in-plane cubic and uniaxial magnetic anisotropy coexist in Fe/MgO/GaAs samples. The strength of cubic and uniaxial anisotropy contributions are found to vary with the deposition conditions of MgO and Fe.

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