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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-5482
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.10337
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation | ||||||||
| Datum: | 12 September 2005 | ||||||||
| Begutachter (Erstgutachter): | Günther (Prof. Dr.) Bayreuther | ||||||||
| Tag der Prüfung: | 27 Juli 2005 | ||||||||
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Lehrstuhl Professor Back > Arbeitsgruppe Christian Back | ||||||||
| Klassifikation: |
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| Stichwörter / Keywords: | Magnetoelektronik , Spinwelle , Epitaxie , Schottky-Kontakt , Spintransistor , heiße Elektronen , Stoner-Anregung , Tunnelbarriere , magnetoelectronic , spin-wave , spin-injection | ||||||||
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik | ||||||||
| Status: | Veröffentlicht | ||||||||
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet | ||||||||
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja | ||||||||
| Dokumenten-ID: | 10337 |
Zusammenfassung (Deutsch)
In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung und Analyse von magnetischen Tunneltransistoren (MTTs) mit epitaktischer Schottkybarriere beschrieben. Das Schichtsystem, aus dem der MTT aufgebaut ist, besteht dabei aus drei Teilsystemen: Durch einen Al2O3-Tunnelkontakt werden heiße Elektronen in das System injiziert (Emitter). Im NiFe/Cu/CoFe-Spinvalve findet der spinabhängige Transport heißer ...
Zusammenfassung (Deutsch)
In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung und Analyse von magnetischen Tunneltransistoren (MTTs) mit epitaktischer Schottkybarriere beschrieben. Das Schichtsystem, aus dem der MTT aufgebaut ist, besteht dabei aus drei Teilsystemen: Durch einen Al2O3-Tunnelkontakt werden heiße Elektronen in das System injiziert (Emitter). Im NiFe/Cu/CoFe-Spinvalve findet der spinabhängige Transport heißer Elektronen statt (Basis). Die Schottkybarriere zwischen dem Spinvalve und einem n-dotierten GaAs-Substrat sorgt schließlich dafür, dass nur Elektronen mit ausreichend hoher Energie in den Halbleiter gelangen (Kollektor).
Die Arbeit beschreibt die Schichtherstellung mittels Molekularstrahlepitaxie, Magnetronsputtern und natürlicher Oxidation sowie die optische Lithographie von Einzeltransistoren aus dem Schichtsystem und die Charakterisierung des Systems mit mikroskopischen, magnetischen und elektrischen Methoden.
Dabei wird die CoFe-Schicht epitaktisch auf dem Halbleiter abgeschieden. Die Höhe der Schottkybarriere liegt bei etwa 0,6 eV. Messungen mit einem MOKE-Magnetometer belegen, dass die NiFe-Schicht bereits bei relativ kleinen Feldern ummagnetisiert werden kann, während CoFe erst bei höheren Feldern seine Magnetisierungsrichtung ändert, so dass die gezielte Wahl eines parallelen bzw. antiparallelen Magnetisierungszustands möglich ist. Die Tunnelbarriere, die durch dreimalige Beschichtung mit etwa 0,6 nm Al und anschließende Oxidation in reinem O2 hergestellt wird, weist eine Barrierenhöhe von 2,0 eV und eine effektive Dicke von 1,4 nm auf und wird mit Ta abgedeckt.
Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein heißes Elektron auf Grund von Streuprozessen im Spinvalve so viel Energie verliert, dass es die Schottkybarriere nicht mehr überwinden kann, hängt von der relativen Orientierung des Elektronenspins zur Magnetisierungsrichtung in den beiden ferromagnetischen Schichten des Spinvalves ab (Spinpolarisator und Spinanalysator). Dies wird durch Messungen des Kollektorstroms in einem veränderlichen externen Magnetfeld und damit in unterschiedlichen Schaltzuständen der magnetischen Schichten des MTTs belegt. Dabei zeigen die MTTs bei tiefen Temperaturen relative spinabhängige Kollektorströme (MCR) von 400% bis über 900%.
Der verwendete Versuchsaufbau erlaubt Messungen im Temperaturbereich von 5,5 K bis 400 K. Um Störeinflüsse durch Leckströme zu vermeiden, werden die Untersuchungen jedoch auf tiefe Temperaturen bis maximal 185 K beschränkt. Dabei zeigt sich, dass der spinabhängige Kollektorstrom mit steigender Temperatur ansteigt. Zwischen 10 K und 100 K beträgt der beobachtete Anstieg etwa 40 %. Dies bestätigt die Modellannahme, dass thermisch angeregte Spinwellen und Gitterschwingungen in diesem Temperaturbereich noch keinen dominierenden Einfluss haben, sondern der Einfluss der zusätzliche thermische Energie und der Verbreiterung der Energieverteilung der heißen Elektronen überwiegt.
Der Einfluss der Energie der heißen Elektronen auf das Systemverhalten wird im Bereich von 0 eV bis 2,2 eV ebenfalls bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht. Dabei zeigt sich, dass erst bei einer Emitterspannung von mehr als 0,6 V heiße Elektronen bis zum Kollektor gelangen. Mit steigender Energie der heißen Elektronen steigt der MCR schnell an und erreicht bei Emitterspannungen zwischen 1,3 V und 1,5 V seinen Maximalwert. Bei noch höheren Spannungen sinkt der MCR langsam wieder ab. Analysiert wird neben dem MCR auch der Emitterstrom sowie der Kollektorstrom bei paralleler und bei antiparalleler Magnetisierung.
Die Untersuchungen stellen eine erste experimentelle Bestätigung dafür dar, dass der theoretisch vorhergesagte Zusammenhang zwischen MCR und Energie auch im Temperaturbereich zwischen 5 K und 65 K zu beobachten ist. Erklären lässt sich das Verhalten durch das Zusammenspiel von Stoner-Anregungen und spontaner Spinwellenemission, wobei die Spinwellenemission bei niedrigen Energien vorherrschend ist, während Stoner-Anregungen in einem Energiebereich von über 1 bis 3 eV zu dominieren beginnen.
Schließlich wird die Transferrate, d.h. das Verhältnis zwischen Emitterstrom und maximalem Kollektorstrom betrachtet. Bei den untersuchten MTTs wird eine maximale Transferrate von 10-5 erreicht. Eine Verbesserung dieses Verhältnisses ist eine der wichtigsten Aufgaben, um das Anwendungspotential von Spintransistoren zu vergrößern. Als Einflussfaktoren, die hierbei wesentlich sind, werden die Dicke der einzelnen Schichten des Spinvalves, die Anpassung von Band- und Gitterstruktur an den Grenzflächen und die Energie der heißen Elektronen diskutiert. Eine Vertiefung des Verständnisses dieser Faktoren und eine dadurch mögliche systematische Optimierung der Herstellungsparameter stellt eine wichtige Aufgabe für die Zukunft dar.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
This work reports on fabrication and characterization of magnetic tunnel transistors (MTTs) with an epitaxial Schottky barrier. The MTT consists of three subsystems: Hot electrons are injected into the system through an Al2O3-tunnelling junction (emitter). Spin dependent transport of hot electrons takes place in the NiFe/Cu/CoFe-spin-valve (basis). Finally, the Schottky barrier between the ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
This work reports on fabrication and characterization of magnetic tunnel transistors (MTTs) with an epitaxial Schottky barrier. The MTT consists of three subsystems: Hot electrons are injected into the system through an Al2O3-tunnelling junction (emitter). Spin dependent transport of hot electrons takes place in the NiFe/Cu/CoFe-spin-valve (basis). Finally, the Schottky barrier between the spin-valve and the n-type GaAs substrate ensures, that only high energetic electrons get into the semiconductor (collector).
The device fabrication, using molecular beam epitaxy, magnetron sputtering and natural oxidation is described in detail, as is the process for optical lithography of the transistors and the characterization of the system by means of microscopic, magnetic and electric methods.
Within this process, the CoFe-layer is grown epitaxially on the semiconductor. The height of the Schottky barrier is about 0.6 eV. Moke-magnetometer measurements prove, that NiFe can be switched with a relatively small applied magnetic field, while CoFe changes its orientation only in higher fields. Thus one can switch between a parallel and an antiparallel magnetic state of the system.
The tunnelling barrier being built by triple depositing 0.6 nm Al and subsequently oxidizing in pure O2, yields a barrier height of 2.0 eV and an effective thickness of 1.4 nm. A protective Ta-layer covers the system.
The probability for a hot electron to loose so much energy due to scattering processes, that it can no longer overcome the Schottky barrier, depends on the relative orientation of the electron�s spin and the magnetisation orientation in both ferromagnetic layers of the spin-valve (spinpolariser and �analyser). This fact is proven by measuring the collector current while sweeping an external magnetic field and thus switching the magnetic states of the MTT. At low temperatures, the MTTs reveal relative spin dependent collector currents (MCR) of 400% to more than 900%.
The experimental setup allows temperature dependent measurements in the range of 5.5 K up to 400 K. However, measurements were confined to temperatures below 185 K to suppress leakage current. In this range, measurements showed that the spin dependent collector current raises with temperature. Between 10 K and 100 K this increase represents about 40%. This result confirms the model assumption that thermal spin-waves and lattice oscillations are overbalanced in this temperature range by the effect of additional thermal energy and the broadening of the hot electron energy distribution.
The effect of the hot electron energy on the system behaviour in the range of 0 eV to 2.2 eV is also examined at different temperatures. The measurements show, that hot electrons only get to the collector if the emitter voltage is higher than 0.6 V. If the electron energy is enhanced further, the MCR raises quickly up to a maximum value corresponding to an emitter voltage of about 1.3 V to 1.4 V. If the voltage is enhanced further, the MCR is slowly reduced. In addition to the MCR in this study also the emitter current and the collector current at parallel and antiparallel magnetic configuration is analysed.
The experiments confirm for the first time, that the theoretically predicted correlation between MCR and electron energy can also be observed at low temperatures between 5 K and 65 K. The behaviour can be understood if the concurrent influences of stoner excitations and spontaneous spin-wave emission are taken into account. While spin-wave emission is dominating at lower energies, while stoner excitations become predominant at the energy range of more than 1 to 3 eV.
Finally the transfer rate, i. e. the ratio between emitter current and maximum collector current, is being analysed. With the examined MTTs a maximum transfer ratio of 10-5 has been reached. One of the most important tasks to increase the potential for application of spin transistors is to improve this ratio. As relevant influencing factors the thickness of the spin-valve layers, the matching of electron band and lattice structure at the interfaces and the hot electron energy are discussed. To deepen the understanding of these factors and thus be able to systematically optimise the device fabrication for a higher transfer ratio is an important open task for future works.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 13:16
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