Spininjektion und Spinmanipulation in Silizium-Germanium-Heterostrukturen mit ferromagnetischen Mn5Si3Cx- und Mn5Ge3Cx-Elektroden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Seit fünf Jahrzehnten ist das Mooresche Gesetz, das eine stetige Verkleinerung der Metall-Oxid-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs) postuliert, Grundlage für das Wachstum der Halbleiterindustrie. Einer weiteren Verkleinerung der Bauelemente sind jedoch technologische und physikalische Grenzen gesetzt, es wird intensiv an alternativen Bauelementen geforscht. Hierbei sind spintronische Bauelemente, in denen der Elektronenspin neben oder sogar anstatt Ladungstransport zur Informationsverarbeitung genutzt wird, von großem Interesse. Ziel dieses Antrags war der Nachweis von Spininjektion, -detektion und -manipulation in einem CMOS-kompatiblen Bauelement und damit der Nachweis der Grundfunktionalität, die für die Realisierung eines spintronischen Bauelements notwendig ist. Hierzu sollten ferromagnetische Elektroden bestehend aus Mn5Ge3Cx oder Mn5Si3Cx in Kombination mit Halbleiter(hetero)strukturen auf der Basis von Si und Ge für genutzt werden. Zudem sollte der Spin-Seebeck-Effekt zur Erzeugung thermisch generierter Spinströme untersucht werden. Innerhalb des Projektes wurden unterschiedliche Prozesse entwickelt, um Bauelemente in 3-Terminal-Hanle- und 4-Terminal-Hanle-Geometrien mit Mn-basierten Elektroden herzustellen. Zwar gelang dies schließlich auch für die geringen Kontaktabstände, die bei 4-Terminal-Hanle-Geometrien erforderlich sind, allerdings zeigte sich während des Projektes, dass die Verwendung der (111)-Substratorientierung ein großes Hindernis für reproduzierbare Spininjektion und -detektion darstellt. Zwar bietet diese Substratorientierung die Möglichkeit, Mn5Ge3 trotz abweichender Kristallstruktur kristallin auf Ge aufzubringen, allerdings zeigt die Vorzugsrichtung der Magnetisierung in diesem Fall aus der Substratebene heraus. In den Mn-haltigen Kontakten treten dadurch Effekte durch magnetische Domänen auf, die das Messsignal beim elektrischen Nachweis von Spininjektion beeinflussen. So konnten nur in wenigen Fällen Messergebnisse erzielt werden, die eindeutig auf erfolgreiche Spininjektion und –detektion schließen lassen. Die innerhalb des Projektes erzielten Forschungsergebnisse umfassen die Entwicklung eines Annealingprozesses zur Herstellung von ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakten auf Ge(111) und Ge(100) mit guten Grenzflächen, die Untersuchung der Bildung von Mn-haltigen Kontakten auf den ternären SiGeSn-Halbleitern mit unterschiedlicher Zusammensetzung, die Ermittlung der Spinrelaxationslänge in p-dotiertem Ge und GeSn auf der Basis von Tieftemperatur-Magnetwiderstandsmessungen, die Untersuchung des anomalen Nernst-Effektes in dünnen Mn5Ge3Cx–Filmen und die elektrische Detektion von Spintransport in Si-Kanälen auf Si(111)-Substraten. Hier konnte Spintransport bis zu einem Kontaktabstand von 3,5 µm nachgewiesen werden. Allerdings sind die Ladungsträgerbeweglichkeiten in diesen Si-Kanälen gering im Vergleich zu den Ergebnissen, die in vergleichbaren Si-Kanälen auf (100)-Substraten erzielt werden. Insgesamt legen die im Projekt erzielten Ergebnisse nahe, dass die Domänenbildung in den von uns untersuchten Mn-haltigen Kontakten auf (111)-Halbleiterschichten ein zu großes Hindernis für die zuverlässige Herstellung von spintronischen Bauelementen mit reproduzierbaren Eigenschaften darstellt. Eine mögliche Alternative liegt in dem Einsatz Mn-haltiger Kontakte auf (100)-orientierten Halbleiterschichten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Electrical detection of spin transport in Si two-dimensional electron gas systems", Nanotechnology 27 (36), 365701 (2016)
L. T. Chang, I. A. Fischer, J. Tang, C. Y. Wang, G. Yu, Y. Fan, K. Murata, T. Nie, M. Oehme, J. Schulze, K. L. Wang
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"Formation of Mn5Ge3 by thermal annealing of evaporated Mn on doped Ge on Si (111)", Semiconductor Science and Technology 33 (9), 095008 (2018)
S. Bechler, M. Kern, H. S. Funk, G. Colston, I. A. Fischer, D. Weißhaupt, M. Myronov, J. van Slageren, J. Schulze
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"Magnetic Characterization of a Mn Based Ferromagnet on Si xGe1-x-ySny with High Sn Content", ECS Transactions 93 (1), 101-104 (2019)
H. S. Funk, M. Kern, D. Weisshaupt, C. Sürgers, I. A. Fischer, M. Oehme, J. van Slageren, J. Schulze
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"Anomalous Nernst effect in ferromagnetic Mn5Ge3Cx thin films on insulating sapphire", J. Appl. Phys. 128, 033905 (2020)
R Kraft, S Srichandan, G Fischer, C. Sürgers
