Ferromagnetismus in dünnen verspannten III-V-Halbleiterschichtsystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ferromagnetische Halbleiter versprechen neuartige, sogenannte Spintronik-Bauelemente, in denen herkömmliche Halbleiter-Mikroelektronikbauelemente vereint werden mit den magnetischen Eigenschaften der darin enthaltenen Atome und Elektronen. Schichten und Nanostrukturen aus Gallium-Mangan-Arsenid, (Ga,Mn)As, sind wohl die meistuntersuchten, bestkontrollierten Spintronik-Strukturen, an denen bereits Speichern in ferromagnetischen Domänen, Auslesen und einfache Logikoperationen mittels Strompulsen demonstriert wurden. Die magnetischen Eigenschaften können zudem über die Temperatur, die elastische Verspannung und die Dichte der Ladungsträger beeinflusst werden. Um diese wie in herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren elektrisch aber stromlos mittels Gate-Elektroden steuern zu können, sind aber sehr dünne, oberflächennahe Schichten mit geringer Mangankonzentration von wenigen Prozent erforderlich. In diesem Projekt wurde ein Schichtdesign für extrem dünne ferromagnetische (Ga,Mn)As Halbleiterschichten entwickelt, das reproduzierbare und mittels Gateelektroden elektrisch steuerbare, magnetische und magneto-elektrische Eigenschaften ermöglicht. Bei Schichtdicken von nur etwa 5 Nanometern reduzieren elektrisch geladene Defekte an der Kristalloberfläche und in angrenzenden Schichten stark die Dichte der in der Schicht verbleibenden Ladungsträger. Diese wiederum bestimmen die elektrischen und ferromagnetischen Eigenschaften der Schicht. Die durchgeführten Experimente und Modellrechnungen zur Optimierung der elektrostatischen Abschirmung dieser Defekte ergaben, dass dünne Schichten mit parabolischem Tiefenprofil der Mangankonzentration gegenüber homogenen Schichten mit gleicher Menge an Mangan bessere Eigenschaften und eine wesentlich höhere Reproduzierbarkeit in der epitaktischen Herstellung aufweisen. Der Herstellungsprozess mittels Molekularstrahlepitaxie wurde optimiert für diese Schichten und es ergab sich ein enger optimaler Bereich bei einer Temperatur von 290°C des Galliumarsenid Kristallsubstrats, einem 20-fachen Überangebot von As4 gegenüber Ga, und einer speziellen Sequenz des Mn Molekularflusses für das parabolische Tiefenprofil. So konnten insbesondere Strukturen mit geringer Mangankonzentration (2.5%) und Ladungsträgerdichte realisiert werden, die bei tiefen Temperaturen reproduzierbar metallische Leitung und Ferromagnetismus aufweisen, und dennoch mittels einer Gateelektrode elektrisch gesteuert werden können. Messungen der Magnetisierung und der Magnetoleitfähigkeit abhängig von Magnetfeld, Temperatur und Gatespannung zeigen gute Leitfähigkeit, Curie-Temperaturen von typisch 40 Kelvin und Änderungen der magnetischen Anisotropie mit der Gatespannung. Das komplexe magnetische Verhalten der Schichten ist noch nicht genau verstanden und erfordert weitere Experimente und Modellrechnungen, die die Wechselwirkung der Ladungsträger in solch dünnen Schichten mit den Mangan-Atomen genau beschreiben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An extensive comparison of anisotropies in MBE grown (Ga,Mn)As material, New J. Phys. 10, 055007 (2008)
C. Gould, S. Mark, K. Pappert, G. Dengel, J. Wenisch, R. P. Campion, A. W. Rushforth, D. Chiba, Z. Li, X. Liu, W. Van Roy, D. Ohno, J. K. Furdyna, B. Gallagher, K. Brunner, G. Schmidt, and L. W. Molenkamp
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Surface segregation of interstitial manganese in Ga1-xMnxAs studied by hard x-ray photoemission spectroscopy, Phys. Rev. B 78, 075319 (2008)
B. Schmid, A. Müller, M. Sing, R. Claessen, J. Wenisch, C. Gould, K. Brunner, L. W. Molenkamp, and W. Drube
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Independent magnetization behavior of a ferromagnetic metal-semiconductor hybrid system, Phys. Rev. Lett. 103, 017204 (2009)
S. Mark, C. Gould, K. Pappert, J. Wenisch, K. Brunner, G. Schmidt, and L.W. Molenkamp
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Novel spintronic devices using local anisotropy engineering in (Ga,Mn)As, J. Superconduct. Novel Magn. 23, 69 (2010)
C. Gould, J. Wenisch, K. Pappert, S. Hümpfner, L. Ebel, K. Brunner, G. Schmidt, and L. W. Molenkamp
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Fully Electrical Read-Write Device Out of a Ferromagnetic Semiconductor, Phys. Rev. Lett. 106, 057204 (2011)
S. Mark, P. Dürrenfeld, K. Pappert, L. Ebel, K. Brunner, C. Gould, and L. W. Molenkamp
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Induced magnetic anisotropy in lifted (Ga,Mn)As thin films, Appl. Phys. Lett. 98, 231903 (2011)
F. Greullet, L. Ebel, F. Münzbauer, S. Mark, G. V. Astakhov, T. Kiessling, C. Schumacher, C. Gould, K. Brunner, W. Ossau, and L. W. Molenkamp
