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Experimentelle Untersuchungen am magnetischen Hybridsystem (Ga,Mn)As/MnAs
Die heutige Halbleiterelektronik und Optoelektronik basiert auf elektrischen Strömen und Spannungen, wobei hauptsächlich die Ladungseigenschaft der Elektronen ausgenutzt wird. Elektronen besitzen aber auch noch eine weitere interessante Eigenschaft, und zwar den Spin. Die Idee, b...
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| Contributors: | |
| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | German |
| Published: |
Philipps-Universität Marburg
2004
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| Subjects: | |
| Online Access: | PDF Full Text |
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| Summary: | Die heutige Halbleiterelektronik und
Optoelektronik basiert auf elektrischen Strömen und Spannungen,
wobei hauptsächlich die Ladungseigenschaft der Elektronen
ausgenutzt wird. Elektronen besitzen aber auch noch eine
weitere interessante Eigenschaft, und zwar den Spin. Die Idee,
beide Eigenschaften gleichzeitig in Bauelementen auszunutzen,
ist der Grundgedanke eines neuen Forschungsgebiets innerhalb
der Physik, der sog. Spinelektronik (auch einfach Spintronik
genannt). Sie wird als eine der Schlüsseltechnologien der
Zukunft angesehen, da man sich von ihr wesentlich schnellere
und leistungsfähigere Bauelemente verspricht, die zudem noch
größere Informationsdichten aufweisen und sparsamer mit der
Energie umgehen. In ihr werden Elektronik, Optik und
Magnetismus synergetisch miteinander verknüpft.
Die neue Ära
begann 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts in metallischen
Schichtsystemen (giant magnetoresistance) durch Baibich et al..
GMR ist die dramatische Änderung der Leitfähigkeit in
alternierenden ferromagnetischen und nicht-magnetischen
Schichten bei angelegtem Magnetfeld. Auf dem GMR-Effekt
basierende Leseköpfe in Festplattenlaufwerken, die IBM 1997
ankündigte, sind zur Zeit die wichtigste Anwendung dieses
Effekts. Durch sie wird die Speicherdichte um das 20-fache
gesteigert. Eine der weiteren Anwendungen ist der magnetische
Arbeitsspeicher MRAM (magnetic random access memory). Dies ist
ein Permanentspeicher (non-volatile storage), der seine
Information auch ohne Stromversorgung noch behält, d.h. das
lästige "Hochfahren" von Computern würde in Zukunft der
Vergangenheit angehören! Man könnte immer dort weiter arbeiten,
wo man das letzte Mal aufgehört hat. Seine Vorteile liegen
außerdem in einem reduzierten Energieverbrauch, 1000-fach
schnellerer Schreibgeschwindigkeit im Vergleich zum EPROM
(erasable programmable read-only memory) und bei einer um fünf
Größenordnungen schnelleren Auslesegeschwindigkeit gegenüber
Festplattenlaufwerken. Prototypen dieser MRAMs mit Kapazitäten
in der Megabit-Region existieren bereits.
Diese neuartigen
Bauelemente funktionieren bisher auf Basis ferromagnetischer
Metalle. Um sie mit bewährten Bauelementen direkt kombinieren
zu können, ist man bestrebt, die Spintronik kompatibel zur
bestehenden Halbleiter-(Opto-)Elektronik zu gestalten. Deswegen
ist man auf der Suche nach ferromagnetischen Halbleitern.
Im
Rahmen der Spintronik sollte es möglich sein, Spins zu
polarisieren, transportieren, injizieren, speichern,
detektieren und manipulieren. Wie Michael Oestreich et al.
anhand eines paramagnetischen (II,Mn)VI-Halbleiters gezeigt
haben, sind verdünnte magnetische Halbleiter (VMH), bei denen
ein Teil der Ionen durch magnetische Ionen ersetzt ist,
aufgrund ihrer riesigen Zeemanaufspaltung besonders dazu
geeignet, Elektronen mit einer hohen Spinpolarisation in
Halbleiter zu injizieren. VMH sind also im Gegensatz zu
ferromagnetischen Metallen, die bei der Injektion grundsätzlich
nur eine geringe Spin-Polarisation erlauben, gute
Spin-Ausrichter (Spin-Aligner). Allerdings funktioniert dies
mit (II,Mn)VI-VMH nur bei sehr tiefen Temperaturen und hohen
Magnetfeldern. Ferromagnetische Halbleiter könnten dort Abhilfe
schaffen. GaAs ist neben Si das bedeutendste
Halbleitermaterial. Durch Einbringen von magnetischen
Mangan-Ionen ist es bereits gelungen, Curietemperaturen von bis
zu 172 Kelvin zu erreichen. Für etwaige spätere Anwendungen
sind allerdings Curietemperaturen oberhalb der Raumtemperatur
wünschenswert, damit die Bauelemente ohne aufwendige Kühlung
arbeiten könnten. Das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte
Hybridsystem, welches aus erstmals mittels metallorganischer
Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellten (Ga,Mn)As-Schichten mit
eingebetteten ferromagnetischen MnAs-Clustern besteht, könnte
sich als geeignet herausstellen. Einerseits liegt die
Curietemperatur bei etwa 330 Kelvin und andererseits lassen
sich die Schichten auf gängige Halbleiter wie GaAs aufwachsen.
Mit AlAs können sie sogar überwachsen werden. Ein weiterer
Vorteil dieses Hybridsystems liegt darin, dass es durch
geeignete Dotierung n-leitend wird, was aufgrund der im
Vergleich zur p-Leitung langsameren Spindephasierungszeiten
ebenso wünschenswert ist.
In der vorliegenden Arbeit werden in
Kapitel 2 zunächst die grundlegenden Eigenschaften von
(Ga,Mn)As und MnAs, sowie die untersuchten Proben vorgestellt.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit systematischen Winkel- und
Temperatur-abhängigen ferromagnetischen Resonanzmessungen
(FMR), die Auskunft über die magnetischen Eigenschaften der
MnAs-Cluster geben. Magnetooptische Experimente an den Proben
sowie ihre interessanten Ergebnisse werden in Kapitel 4
beschrieben. Dort wird u.a. gezeigt, dass das bedeutende
Valenzband-Austauschintegral N0ß keine Materialkonstante ist,
wie in vielen Beschreibungen des Magnetismus von (Ga,Mn)As
angenommen wird, sondern sogar sein Vorzeichen ändern
kann. |
|---|---|
| DOI: | 10.17192/z2003.0659 |