| License: Publishing license for publications excluding print on demand PDF - Published Version (14MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-284195
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.28419
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Series of the University of Regensburg: | Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg |
| Volume: | 34 |
| Date: | 16 August 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Günther Bayreuther and Prof. Dr. Dominique Bougeard |
| Date of exam: | 24 June 2013 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Chair Professor Back > Group Christian Back |
| Keywords: | Semiconductor spintronic, spin accumulation, spin solar cell |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 28419 |
Abstract (English)
Semiconductor spintronics is an active research field which promises a huge improvement compared to conventional charge-based electronics. By combining ferromagnets with semiconductors the realization of storage, logic and communications capabilities on a single chip should be possible. The basic concept of a spintronic device requires three key features in a ferromagnet/semiconductor ...
Abstract (English)
Semiconductor spintronics is an active research field which promises a huge improvement compared to conventional charge-based electronics. By combining ferromagnets with semiconductors the realization of storage, logic and communications capabilities on a single chip should be possible. The basic concept of a spintronic device requires three key features in a ferromagnet/semiconductor heterostructure: spin injection, spin manipulation and spin detection. For spinbased transistors, in particular, the efficient injection of spins is crucial in order to achieve an advantage in power consumption.
In this work spin injection into GaAs from Fe and (Ga,Mn)As was investigated.
(Ga,Mn)As is a dilute magnetic semiconductor exhibiting a large spin polarization at the Fermi energy in the ferromagnetic state. Both heterostructures are promising candidates for semiconductor spintronic devices. The advantages of GaAs are on the one hand the large spin lifetime, on the other hand the epitaxial growth of ferromagnetic materials. In addition, GaAs is a direct semiconductor which opens the window for the integration of optoelectronic features. For the realization of any spintronic device the detailed knowledge about the spin lifetime, the spatial distribution of spin-polarized carriers and the influence of electric fields is essential. In the present work all these aspects have been analyzed by optical measurements of the polar magneto-optic Kerr effect (pMOKE) at the cleaved edge of the samples.
First of all, spin injection from Fe and (Ga,Mn)As into n-GaAs was verified by
two-dimensional pMOKE scans at the cleaved edge at low temperatures. The
results demonstrate the powerful detection method by imaging the spin accumulation in the n-GaAs channel in remanence and even below the ferromagnetic contacts, which is a unique feature of this measurement geometry. The different spin density distribution from both injector materials unveils the inhomogeneous current density across the Schottky barrier arising from the relatively low interface resistance of the Fe contact, in contrast to the (Ga,Mn)As contact.
Further investigations have shown that a nonuniform current in the n-GaAs channel also affects the injected spin density distribution. The pronounced electric field beneath the contact area when electrically extracting spins generates a drift towards the diffusion side of the GaAs channel. This effect was not considered so far and could be nicely reproduced by two-dimensional simulations of the electron drift and spin diffusion. The effect shifts the maximum spin accumulation beneath the contact area towards the contact edge at the diffusion side of the n-GaAs channel. As a consequence, Hanle curves are widened when measured on this side of the contact. Thus, extracting the spin lifetime τ_s with the frequently used one-dimensional model spuriously leads to a strong bias and contact distance dependence of τ_s . Correct spin lifetimes could be extracted by using a fitting procedure with a novel two-dimensional model. The remaining variations with distance and bias can be attributed to Joule heating or the presence of electric fields around the contact area. The experiment for the first time has shown
the influence of the nonuniform current density through electrical spin injection on Hanle lineshapes and the importance for the determination of the spin lifetime in electrical spin injection experiments.
Furthermore a novel spintronic device that combines the principle of a solar cell with the creation of spin accumulation could be realized in this work. The working principle is demonstrated by using the laser beam simultaneously as a light source for the generation of electron-hole pairs and for the detection of the generated spin accumulation via the polar magneto-optic Kerr effect (pMOKE). The spin solar cell effect could also be observed electrically in a non-local voltage geometry where the creation of spin-polarized carriers by illumination and their detection are separated. In addition, a second working mode was realized by applying a negative voltage to the (Ga,Mn)As contact: the spin photodiode effect. Here, the negative bias drives the optically excited spins from the (Ga,Mn)As conduction band into the GaAs layer, resulting in a sign reversal of the spin polarization with respect to the spin solar cell effect. Both effects are prototypical for the basic idea of semiconductor spintronics. The effects can be used to create a spin photo-sensor where light is not only converted into a current or a voltage, but additionally into a spin current and a spin accumulation. The spin solar cell effect also enables a new and efficient method for the optical generation of spins with unpolarized light, independent of optical selection rules and not limited to certain wavelengths. The very general mechanism behind the spin solar cell effect is expected to allow adaptation to different material systems such as Fe on Si. Since room-temperature spin injection into GaAs or Si has already been achieved,
all requirements for a working room-temperature spin solar cell are fulfilled.
In order to reduce energy consumption in future spintronic devices, modern concepts as thermal spin injection and spin pumping try to avoid charge currents which cause Joule heating. The investigation of both effects in the present work has shown the practical obstacles that have to be overcome for efficient spin injection into a semiconductor like GaAs. Despite the low interface resistance of the used Fe/n-GaAs sample, spin injection by applying a thermal gradient did not result in a significant spin accumulation. The comparison with electrical spin injection on the same sample shows that larger spin Seebeck coefficients are necessary for the generation of a sizeable spin current. In addition a direct comparison with electrical detection, e.g. the three-terminal geometry, should provide a better understanding of this effect.
Spin pumping is another method for the generation of pure spin currents and is based on magnetization dynamics. Spin pumping is usually observed electrically via the inverse spin Hall effect. Due to possible side effects in the electrical signal, the optical verification of spin pumping is desirable. However, in the present work no clear indication of spin accumulation could be observed in the GaAs by bringing the Fe layer into ferromagnetic resonance. This is in mismatch with recent spin pumping experiments into GaAs where a large spin current was extracted from the observed inverse Spin Hall voltage. Despite the lower interface resistance of the Fe/n-GaAs sample used in the present experiment, the spin current density seems to be at least two orders of magnitude lower than reported in the literature. The reported value might be overestimated due to possible artifacts in the electrical signal. Therefore, an optical verification of the spin pumping mechanism and the generated spin accumulation in GaAs would be important. Future experiments should clarify whether spin pumping into semiconductors really is efficient, ideally with an optimized contact geometry and a maximized magnetization excitation close to the cleaved edge.
Finally, spin injection from (Ga,Mn)As into a two-dimensional electron gas (2DEG) was investigated. For the realization of spin-based transistors, e.g. the Datta-Das spin field effect transistor, electrical spin injection into a 2DEG is a crucial step which has not yet been clearly demonstrated. In the present work, the optical measurements on the cleaved edge demonstrate electrical spin injection into the GaAs based heterostructure. The observed spin diffusion length of 3.5 μm is consistent with the results obtained by electrical detection on a similar sample. A spin lifetime of about 100 ps could be estimated from the spin diffusion length and the large mobility in the 2DEG. The relatively small spin lifetime is expected from such heterostructures and is consistent with Hanle measurements showing almost no depolarization of the spin accumulation within the applied external magnetic field range. This observation excludes that the spin accumulation or the spin transport take place in the n-doped bulk region showing a larger spin lifetime. However, in contrast to the electrical detection method, the creation of a parallel transport channel in the n-GaAs due to the generation of electron-hole pairs during the optical measurements can not be excluded. This influence should be analyzed in future experiments. Furthermore, the electrical results on
a similar sample are not yet completely understood. On the one hand the Hanle curves showed an unexpected large spin lifetime of about 10 ns, on the other hand the non-local voltage signal is larger than theoretically predicted. Future experiments using a combination of electrical and optical detection should give a better understanding of the system. Nevertheless, the realization of electrical spin injection into a 2DEG brings us closer to spin-based transistors.
In summary, the present work provides further insights into the generation, the distribution and the lifetime of spins in GaAs. In addition the spin solar cell
effect is demonstrated, a novel mechanism for the optical generation of spins
with potential for future spintronic applications. Also important for spin-based
devices as transistors is the presented realization of electrical spin injection into a two-dimensional electron gas. The next step should be the manipulation and control of the injected spins (without using external magnetic fields) and the demonstration of functionality at room temperature.
Translation of the abstract (German)
Halbleiter Spintronik ist ein aktives Forschungsfeld welches einen enormen Fortschritt gegenüber der konventionellen ladungsbasierten Elektronik verspricht. Durch Kombinieren von Ferromagneten mit Halbleitern sollte die Realisierung eines Bauteils für Datenspeicherung, Logik und Kommunikation auf einem einzelnen Chip möglich sein. Das Prinzip einen spintronischen Bauteils in einer ...
Translation of the abstract (German)
Halbleiter Spintronik ist ein aktives Forschungsfeld welches einen enormen Fortschritt gegenüber der konventionellen ladungsbasierten Elektronik verspricht. Durch Kombinieren von Ferromagneten mit Halbleitern sollte die Realisierung eines Bauteils für Datenspeicherung, Logik und Kommunikation auf einem einzelnen Chip möglich sein. Das Prinzip einen spintronischen Bauteils in einer Ferromagnet/Halbleiter Heterostruktur basiert auf drei Punkten: Spininjektion, Spinmanipulation und Spindetektion. Vor allem für spin-basierte Transistoren ist die effiziente Spininjektion entscheidend um einen Vorteil im Energieverbrauch zu erzielen.
In dieser Arbeit wurde Spininjektion von Fe und (Ga,Mn)As in GaAs untersucht. (Ga,Mn)As ist ein verdünnter magnetischer Halbleiter mit einer hohen Spinpolarisation an der Fermi-Energie im ferromagnetischen Zustand. Die Vorteile von GaAs sind einerseits die hohe Lebensdauer der Spins, andererseits die Möglichkeit ferromagnetische Materialen epitaktisch darauf zu wachsen. Zusätzlich ist GaAs ein direkter Halbleiter wodurch sich die Integration von optoelektrischen Funktionen anbietet. Für die Umsetzung eines spintronischen Bauteils ist die genaue Kenntnis über die Lebensdauer, die räumlichen Verteilung der spin-polarisierten Ladungsträger und den Einfluss von elektrischen Feldern entscheidend. All diese Aspekte wurden in dieser Arbeit durch optische Messungen des polaren magneto-optischen Kerr-Effekts (pMOKE) an den Spaltkanten der Proben untersucht.
Zuerst wurde Spininjektion von Fe und (Ga,Mn)As in n-dotiertes GaAs durch pMOKE Messungen an der Spaltfläche bei tiefen Temperaturen bestätigt. Die Ergebnisse demonstrieren die leistungsfähige Detektionsmethode durch Abbilden der Spinakkumulation im n-GaAs Kanal in Remanenz und sogar unter dem ferromagnetischen Kontakt. Das ist eine einzigartige Eigenschaft dieser Messgeometrie. Die unterschiedlichen Spindichteverteilungen aus beiden Injektionsmaterialien enthüllen die inhomogene Stromdichte über die Schottky-Barriere durch den relativ geringen Grenzflächenwiderstand des Fe Kontakts im Gegensatz zum (Ga,Mn)As Kontakt.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass eine nicht homogene Stromverteilung im n-GaAs Kanal ebenso die injizierte Spindichteverteilung beeinflusst. Das stark ausgeprägte elektrische Feld unter der Kontaktfläche beim elektrischen extrahieren von Spins erzeugt eine Driftgeschwindigkeit in Richtung der Diffusionsseite des GaAs Kanals. Dieser Effekt wurde bis jetzt nicht berücksichtigt und konnte gut durch zweidimensionale Simulationen der Elektronen-drift und Spindiffusion reproduziert werden. Der Effekt verschiebt die maximale Spinakkumulation unter dem Kontakt hin zur Kontaktkante auf der Diffusionsseite des n-GaAs Kanals. Als Konsequenz sind die gemessenen Hanle Kurven auf dieser Seite des Kontakts verbreitert. Dadurch führt das Extrahieren der Spinlebensdauer τ_s mit einem häufig benutztem eindimensionalen Modell fälschlicherweise zu einer starken Spannungs- und Abstandsabhängigkeit von τ_s. Korrekte Spinlebensdauern konnten durch Anpassen an ein neues zweidimensionales Modell extrahiert werden. Die verbleibenden Variationen mit dem Abstand und der angelegten Spannung können der elektrischen Erwärmung oder der Anwesenheit elektrischer Felder zugeschrieben werden. Dieses Experiment hat als erstes den Einfluss einer nicht-homogenen Stromdichte auf Hanle-Kurven sowie die Wichtigkeit für die exakte Bestimmung der Spinlebensdauer in elektrischen Spininjektionsexperimenten gezeigt.
Zusätzlich konnte ein neues spintronisches Bauteil in dieser Arbeit realisiert werden, welches das Prinzip einer Solarzelle mit der Erzeugung von Spinakkumulation verbindet. Das Funktionsprinip wird demonstriert indem der Laserstrahl gleichzeitig als Lichtquelle für die Erzeugung von Elektron-Loch Paaren und als Detektor für die generierte Spinakkumulation über den polaren magneto-optischen Kerr Effekt (pMOKE) benutzt wird . Der Spin-Solarzellen-Effekt konnte zusätzlich elektrisch durch nicht-lokale Spannungsmessungen beobachtet werden. In dieser Geometrie ist die Erzeugung der spin-polarisierten Ladungsträger durch Beleuchtung von der elektrischen Detektion getrennt. Außerdem konnte ein zweiter Funktionsmodus durch Anlegen einer negativen Spannung an den (Ga,Mn)As Kontakt realisiert werden: der Spin-Photodioden-Effekt. Hier wird die negative Spannung benutzt um die optisch angeregten Spins im (Ga,Mn)As über das Leitungsband ins GaAs zu transportieren. Das Vorzeichen der Spinakkumulation dreht sich dadurch im Vergleich zur Spin-Solarzelle um. Beide Effekte entsprechen der Grundidee hinter der Halbleiter Spintronik. Die Effekte können für einen Spin-Photosensor benutzt werden in dem Licht nicht nur in einen Strom oder eine Spannung umgewandelt wird, sondern zusätzlich in einen Spinstrom und eine Spinakkumulation. Der Spin-Solarzellen-Effekt bietet auch eine neue optische Methode für die effiziente Erzeugung von Spins in Halbleitern, unabhängig von optischen Auswahlregeln und nicht begrenzt auf bestimmte Wellenlängen. Der allgemeine Mechanismus hinter dem Spin-Solarzellen-Effekt sollte auch eine einfache Übertragung auf andere Materialsysteme wie Fe auf Si erlauben. Da Spininjektion bei Raumtemperatur in GaAs oder Si schon gezeigt wurde, sind alle Voraussetzungen für eine funktionierende Spin-Solarzelle bei Raumtemperatur erfüllt.
Um den Energieverbrauch in zukünftigen spintronischen Bauteilen zu verringern versuchen moderne Konzepte wie thermische Spininjektion und Spin-Pumpen Ladungsströme zu vermeiden. Die Untersuchung beider Effekte in dieser Arbeit zeigt welche Hindernisse überwunden werden müssen für eine effiziente Spininjektion in einen Halbleiter wie GaAs. Trotz des geringen Grenzflächenwiderstands der benutzten Fe/n-GaAs Probe ergab die Spininjektion durch Anlegen eines Temperaturgradienten keine signifikante Spinakkumulation. Der Vergleich mit elektrischer Spininjektion an der selben Probe zeigt, dass größere Spin-Seebeck-Koeffizienten nötig sind für die Erzeugung relevanter Spinströme. Zusätzlich sollte ein direkter Vergleich mit elektrischer Detektion, z.B. in einer 3-terminal Geometrie, ein besseres Verständnis dieses Effekts liefern.
Spin-Pumpen ist eine weitere Methode zur Erzeugung von reinen Spinströmen und basiert auf der Magnetisierungsdynamik. Spin-Pumpen wird üblicherweise elektrisch über den inversen Spin-Hall-Effekt beobachtet. Durch mögliche Nebeneffekte im elektrischen Signal wäre eine optische Bestätigung erstrebenswert. In dieser Arbeit konnte kein klarer Anhaltspunkt für eine Spinakkumulation im GaAs gefunden werden wenn die Fe Schicht in ferromagnetische Resonanz gebracht wurde. Dies steht in Widerspruch zu vorherigen Spin-Pumpen Experimenten in GaAs, bei denen eine sehr hohe Spinstromdichte aus der gemessenen inversen Spin-Hall-Spannung extrahiert wurde. Trotz des geringeren Grenzflächenwiderstands der hier benutzten Fe/n-GaAs Probe scheint die Spinstromdichte mindestens zwei Größenordnungen kleiner zu sein also zuvor berichtet. Der publizierte Wert könnte durch mögliche Artefakte im elektrischen Signal überschätzt worden sein. Deswegen wären eine optische Bestätigung des Spin-Pumpen-Mechanismus sowie der erzeugten Spinakkumulation im GaAs wichtig. Zukünftige Experimente sollten Klarheit schaffen ob der Spin-Pumpen-Mechanismus in Halbleiter wirklich effizient ist, bestenfalls mit einer optimierten Kontaktgeometrie und einer maximalen Anregung der Magnetisierung nahe der Spaltkante.
Spininjektion von (Ga,Mn)As in ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) wurde ebenso untersucht. Für die Umsetzung eines spin-basierten Transistors, z.B. den Datta-Das Feldeffekttransistor, ist die elektrische Spininjektion in ein 2DEG ein entscheidender Schritt welcher noch nicht eindeutig gezeigt wurde. In dieser Arbeit demonstrieren die optischen Messungen an der Spaltkante, dass elektrische Spininjektion in die GaAs-basierte Heterostruktur stattfindet. Die beobachtete Spindiffusionslänge von 3,5 µm stimmt mit den Ergebnissen aus elektrischer Detektion an einer ähnlichen Probe überein. Aus der Spindiffusionslänge und der hohen Beweglichkeit im 2DEG konnte eine Spinlebensdauer von 100 ps abgeschätzt werden. Diese relativ kurze Lebensdauer wird von solchen Heterostrukturen erwartet und ist konsistent mit den gemessenen Hanle-Kurven welche fast keine Depolarisation der Spinakkumulation innerhalb des angelegten Magnetfeldbereichs zeigen. Durch diese Beobachtung lässt sich ausschließen, dass die Spinakkumulation oder der Spintransport in der n-dotierten Schicht stattfinden, da dort die Spinlebensdauer höher wäre. Im Gegensatz zur elektrischen Detektionsmethode kann die Erzeugung eines parallelen Transportkanals im n-GaAs durch die Erzeugung von Elektron-Loch Paaren während der optischen Messungen nicht ausgeschlossen werden. Dieser Einfluss sollte in zukünftigen Experimenten untersucht werden. Hinzu kommt auch, dass die elektrischen Ergebnisse an einer ähnlichen Probe nicht komplett verstanden sind. Einerseits fand man unerwartet hohe Spinlebensdauern von ungefähr 10 ns, auf der anderen Seite war das nicht-lokale Spannungssignal höher als theoretisch erwartet. Zukünftige Experimente sollten durch eine Kombination elektrischer und optischer Messungen ein besseres Verständnis liefern. Nichtsdestotrotz bringt uns die Realisierung von elektrischer Spininjektion in ein 2DEG näher an die Umsetzung spin-basierter Transistoren.
Zusammengefasst liefert diese Arbeit weitere Einblicke in die Erzeugung, die Verteilung und die Lebensdauer der Spins im GaAs. Zusätzlich wird die Spin-Solarzelle demonstriert, ein neuer Mechanismus zur optischen Erzeugung von Spins mit potential für zukünftige spintronische Anwendungen. Ebenso wichtig für spin-basierte Bauteile wie Transistoren ist die gezeigte Realisierung von elektrischer Spininjektion in ein zweidimensionales Elektronengas. Der nächste Schritt sollte die Manipulation und die Kontrolle der injizierten Spins sein ohne externe Magnetfelder zu benutzen sowie die Demonstration der jeweiligen Funktion bei Raumtemperatur.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 02:09
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