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Autor(en): Dash, Saroj Prasad
Titel: Towards spin injection into silicon
Sonstige Titel: Auf dem Weg zur Injektion polarisierter Elektronen in Silizium
Erscheinungsdatum: 2007
Dokumentart: Dissertation
Serie/Report Nr.: Bericht / Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung), Stuttgart;203
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-33304
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6674
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6657
Zusammenfassung: The efficient spin injection into semiconductors could pave the way to a new generation of electronics devices such as spin memories, spin transistors, and spin quantum computers. The most important semiconductor for industrial application, Si has been studied for the purpose of spin injection extensively in this thesis. Three different concepts for spin injection into Si have been addressed: (1) spin injection through a ferromagnet-Si Schottky contact, (2) spin injection using MgO tunnel barriers in between the ferromagnet and Si, and (3) spin injection from Mn-doped Si (DMS) as spin aligner. (1) FM-Si Schottky contact for spin injection: In a heterostructure of a ferromagnetic thin film on a Si substrate, any structural disorder at the interface would drastically reduce the spin polarization at the interface and, hence, the spin injection efficiency. To be able to improve the interface qualities one needs to understand the atomic processes involved in the formation of such silicide phases. In order to obtain more detailed insight into the formation of such silicide phases the initial stages of growth of Co and Fe were studied in situ by HRBS with monolayer depth resolution. As understood, it was important to prohibit the in-diffusion of Co into interstitial sites at the initial stages of growth and the out-diffusion of Si atoms in the latter stages. So in order to control and improve the interface, equilibrium growth conditions were followed (i) by lowering the growth temperature and (ii) by surfactant-mediated growth. Low temperature growth of Co on Si (100): Already at very low coverage Co diffusion into the bulk Si has been observed. The amount of in-diffused Co is, however, less than at room temperature. In contradiction to room temperature growth, Co atoms form layers of pure Co on top of the Si surface already at very low coverage. Every second Si layer, starting with the first Si layer, is Co depleted. This leads to an oscillatory Co distribution in the Si lattice which is preserved up to higher coverages (1.3 ML). Surfactant-mediated growth of Co on Si (100) : The lower surface free energy of Sb in comparison to Co and Si, makes it a potential candidate for surfactant mediated growth. By the use of one monolayer of Sb adsorbed on a Si (100) surface, Co-Si intermixing at the interface is strongly reduced in comparison to the interface without Sb as surfactant. The improved interface quality with Sb-mediated growth is also reflected in magnetic measurements. Co with Sb-mediated growth shows a higher magnetic moment. It was shown that simple solutions can reduce the FM-Si inter diffusion at the interface and improve the interface quality. However these non-equilibrium growth conditions could not stop the silicide formation completely. (2) MgO tunnel barrier for spin injection into Si: On the other hand, using an ultra-thin tunnel barrier between FM and Si will have three advantages: (i) form a chemical barrier between the FM and Si, (ii) circumvent the conductivity mismatch problem, and (iii) in addition act as a spin filter. The fabrication and characterization of ultra-thin crystalline MgO tunnel barriers on Si (100) was presented. Some of the important properties required for tunnel barriers on Si have been addressed. Ultra-thin stoichiometric MgO tunnel barriers with sharp interface with Si (100), very homogeneous, without pin-holes, and crystalline in structure could be fabricated by reactive molecular beam epitaxy. Co and Fe on an ultra thin MgO tunnel barrier were found to have island-like growth with a rough surface. Ultra-thin Co and Fe films are found to be thermally quite stable up to 450 °C. (3) Mn doped Si for spin injection: For spin injection purpose, instead of contacting the Si with a ferromagnetic metal, the contact could be made with another semiconductor, one with ferromagnetic properties. This solves the conductivity mismatch problem by ensuring that the resistivities of the materials on both side of the interface are comparable in magnitude. Si-based diluted magnetic semiconductor samples were prepared by doping Si with Mn by two different methods i) by Mn ion implantation and ii) by in-diffusion of Mn atoms (solid state growth). In the case of implanted samples, Mn atoms do not substitute Si sites. The implanted samples show room temperature ferromagnetism as measured by a SQUID magnetometer. The magnetic moment per Mn atom is found to decrease with increasing implantation dose. It has been observed that the implanted samples show carrier mediated ferromagnetism and, more importantly, mediated by both holes and electrons in contrast to statements in the literature. Solid state growth of Mn doped Si : For evaporation of Mn on Si (100), Mn atoms diffuse deep into the Si bulk already at room temperature, even for very low coverage (0.25 ML) with an oscillatory concentration depth profile as observed by HRBS with monolayer depth resolution. This results in natural MnxSi1-x/Si digital layers on the surface. Surprisingly, the samples prepared by this solid state diffusion process show room-temperature ferromagnetism having a magnetic moment of 1.8 µB per Mn atom, which is much higher than that of the ion-implanted samples. In contrast to ion-implanted samples the ferromagnetism in these samples does not show any carrier mediation.
Eine effiziente Spininjektion in Halbleiter könnte den Weg ebnen für eine Generation neuer elektronischer Bausteine wie Spin-Speicher, Spin-Transistoren oder Spin-Quanten-Computer. Als wichtigster Halbleiter für die industrielle Anwendung wurde Silizium in dieser Arbeit zum Zwecke der Spininjektion ausführlich untersucht. Drei verschiedene Konzepte zur Spininjektion wurden in dieser angesprochen: (1) Spininjektion durch einen Ferromagnet-Silizium Schottky-Kontakt, (2) Spininjektion durch eine MgO-Tunnelbarriere zwischen dem Ferromagnet und Silizium und (3) Spininjektion aus Mn-dotiertem Silizium. (1) FM-Si Schottky-Kontakt für die Spininjektion :In einer derartigen Heterostruktur aus einer dünnen ferromagnetischen Schicht auf Silizium würde jeder strukturelle Defekt in der Grenzschicht die Spininjektion durch die Grenzschicht deutlich reduzieren und damit die Effizienz der Spininjektion. Um diese Grenzflächen zu verbessern, muß man die atomaren Prozesse, die zur Bildung derartiger Silizidphasen führen, besser verstehen. Um detailliertere Einsicht in die Bildung dieser Silizide zu erlangen, wurde das Anfangsstadium des Wachstums dünner Co- und Fe-Schichten auf Si (100) in situ mittels hochauflösender Ionenstreuung mit Monolagen-tiefenauflösung untersucht. Wie aus den letzten Abschnitten hervorgeht, ist es für die Struktur der Co/Si- oder Fe/Si-Grenzfläche wichtig, eine Eindiffusion von Co oder Fe bereits zu Beginn des Aufdampfprozesses und die Ausdiffusion von Si zu einem späteren Stadium zu verhindern. Um nun die FM-Si-Grenzschicht zu verbessern, wurden zwei Nichtgleichgewichtsverfahren verfolgt: (i) Wachstum des Metallfilms bei niedrigerer Substrattemperatur und (ii) Wachstum mit Hilfe eines Stoffes, welcher die Oberflächenenergie senkt. Wachstum dünner Co-Schichten auf Si (100) bei niedriger Temperatur : Bereits bei sehr niedriger Bedeckung mit Co wird eine Diffusion von Co ins Volumeninnere beobachtet. Die Menge an eindiffundiertem Co ist jedoch geringer als bei Zimmertemperatur. Im Gegensatz zum Wachstum bei Zimmertemperatur bilden die Co-Atome bereits bei geringem Bedeckungsgrad Lagen aus reinem Co auf der Si-Oberfläche. Jede zweite Atomlage, angefangen bei der obersten Lage, ist verarmt an Co. Dies führt zu einer oszillierenden Co-Verteilung im Siliziumgitter. Wachstum dünner Co-Schichten auf Si (100) mittels Stoffen, welche die Oberflächen-energie senken: Die niedrige Oberflächenenergie von Sb im Vergleich zu Co und Si macht Sb zu einem potentiellen Kandidaten für diese Art des Wachstums. Wie die Messungen gezeigt haben, wird durch eine einzige Monolage an Sb auf Si (100) das Mischen von Co und Si an der Grenzfläche stark unterdrückt. Die verbesserte Qualität der Grenzfläche zeigt sich auch in den magnetischen Messungen. Wie in den beiden letzten Abschnitten gezeigt, kann man mit einfachen Hilfsmitteln die Durchmischung von Co und Si an der Grenzfläche vermindern und eine deutliche Verbesserung der Qualität der Grenzschicht erreichen. (2) MgO-Tunnel-Barriere für die Spininjektion in Silizium: Auf der anderen Seite besitzt die Verwendung einer ultradünnen Tunnelbarriere zwischen dem Ferromagneten und Silizium drei wesentliche Vorteile: (i) sie bildet eine chemische Barriere zwischen dem Ferromagneten und Silizium, (ii) durch sie kann das Problem der mangelnden Leitfähigkeitsanpassung gelöst werden, und (iii) wirkt sie selbst als Spinfilter. Werden die Herstellung und Charakterisierung ultradünner MgO-Tunnelbarrieren auf Si (100) beschrieben. Es konnten ultradünne stoichiometrische MgO-Tunnelbarrieren (etw 2 nm dick) mit scharfer Grenzfläche zur Si (100)-Oberfläche mittels reaktiver Molekularstrahlepitaxie hergestellten werden. Sie sind sehr homogen, lochfrei und kristallin in ihrer Struktur. Ultrdünne Co- und Fe-Filme auf einer solchen MgO-Tunnelbarriere wachsen unter Inselbildung mit einer rauhen Oberfläche. Diese Filme bleiben thermisch stabil bis 450 °C. (3) Mn-dotiertes Silizium für die Spininjektion: Dies würde sofort das Problem der schlechten elektrischen Anpassung lösen, da die Materialien auf beiden Seiten der Grenzschicht vergleichbare spezifische Widerstände besitzen. Solche verdünnten magnetischen Halbleiter auf Si-Basis wurden durch Dotieren von Si mit Mn auf zwei Arten hergestellt: i) durch Mn-Ionenimplantation und ii) durch Eindiffusion von Mn-Atomen in Si. Mn-implantiertes Silizium : Im Falle der Implantation besetzen die Mn-Atome keine substitutionellen Plätze in Silizium. Die Proben zeigen Ferromagnetismus bei Zimmertemperatur, wie aus SQUID-Messungen hervorgeht. Das magnetische Moment pro Mn-Atom nimmt mit zunehmender Implantationsdosis ab. Der Ferromagnetismus wird durch Ladungsträger vermittelt, und zwar – wie sich bei den Untersuchungen herausstellte - durch Elektronen und Löcher, im Gegensatz zu Spekulationen aus der Literatur. Festkörper-Wachstum von Mn-dotiertem Silizium: Beim Aufdampfen von Mn-Atomen diffundieren diese bereits bei Zimmertemperatur und niedrigen Bedeckungsgraden (0,25 ML) bis tief ins Innere des Silizium-Substrats. Mittels HRBS wird eine oszillatorische Tiefenverteilung beobachtet: Jede zweite Siliziumlage bleibt dabei Mn-frei; man spricht von natürlichen digitalen MnxSi1-x/Si-Lagen an der Oberfläche. Überraschenderweise zeigen die so hergestellten Schichten Ferromagnetismus bei Zimmertemperatur mit einem magnetischen von 1,8 µB pro Mn-Atom, was viel höher ist als bei den implantierten Proben. Im Gegensatz zu den ionen-implantierten Proben scheint der Ferromagnetismus dieser Proben nicht durch Ladungsträger vermittelt zu werden.
Enthalten in den Sammlungen:14 Externe wissenschaftliche Einrichtungen

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