Spin-Injection into GaAs using ferromagnetic (Ga,Mn)As contacts

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 July 2013
Referee:	Prof. Dr. Dieter Weiss
Date of exam:	16 July 2012
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Dieter Weiss
Keywords:	(Ga,Mn)As, GaMnAs, Spin, Spin-Injection, Spin-Diffusion, Spin-Injection-Efficiency, Spin-Diffusion-Length, Spin-Relaxation, Spin-Dynamics, Semiconductor, ESAKI-Diodes, Drift and Diffusion, TAMR, TASP, Anisotropy, MBE, Datta-Das Spin-FET, non-local, Spin-Valve, Hanle, Dynamic-Nuclear-Polarization DNP, GaAs, EBL, RIE
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:	28423

Abstract (English)

In our work we have employed a successful all electrical and all semiconductor spin injection scheme. Our samples base on a new class of so-called diluted magnetic semiconductors, namely its best known representative GaMnAs. In our experiments we were able to reliably achieve spin injection efficiencies of remarkably high 50% and slightly above. The results obtained from nonlocal in-plane ...

Abstract (English)

In our work we have employed a successful all electrical and all semiconductor spin injection scheme. Our samples base on a new class of so-called diluted magnetic semiconductors, namely its best known representative GaMnAs. In our experiments we were able to reliably achieve spin injection efficiencies of remarkably high 50% and slightly above. The results obtained from nonlocal in-plane spin-valve measurements were thereby consistent with our out-of-plane Hanle experiments in terms of injection efficiencies as well as spin diffusion lengths. These were roughly 3 µm, what corresponds to a spin lifetime in the range of 5 ns. We additionally investigated the anisotropies of tunneling MR and spin polarization. For in-plane TAMR we gained values of up to ≈ 1.5 % while for out-of-plane configuration we observed ≈ 8 %. In the case of in-plane TASP the effect had a magnitude of ≈ 8% and the out-of-plane TASP reached ≈ -25 %.
For a second wafer with slightly lower doping of the conduction channel and thicker GaMnAs the spin diffusion length easily exceeded 10 µm. Our experiments on this second wafer have confirmed that a lithographically induced control of magnetic anisotropies in GaMnAs is possible due to strain relaxation of the GaMnAs layer perpendicular to the structure edges.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wurde elektrische Spin-Injektion in einem komplett aus Halbleitern bestehendem Bauelement nachgewiesen. Unsere Proben basierten auf einer neuen Materialklasse von so genannten Verdünnten Magnetischen Halbleitern, insbesondere derem bekanntesten Vertreter GaMnAs. Wir konnten wiederholt bemerkenswert hohe Spin-Injektionseffizienzen von über 50% erzielen.Dabei waren die Ergebnisse ...

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wurde elektrische Spin-Injektion in einem komplett aus Halbleitern bestehendem Bauelement nachgewiesen. Unsere Proben basierten auf einer neuen Materialklasse von so genannten Verdünnten Magnetischen Halbleitern, insbesondere derem bekanntesten Vertreter GaMnAs. Wir konnten wiederholt bemerkenswert hohe Spin-Injektionseffizienzen von über 50% erzielen.Dabei waren die Ergebnisse von nicht-lokalen Spin-Valve Messungen in der Probenebene konsistent mit den Resuktaten der Hanle-Geometrie, sowohl was Injektionseffizienz als auch Spin-Diffusionslänge betrifft. Diese betrug etwa 3 µm, was einer Spin-Lebensdauer von ca. 5 ns entspricht. Wir haben ebenfalls die Anisotropien der Widerstände und Spin-Polarisationen während des Tunnelns erforscht. Der TAMR in der Probenebene erreichte dabei bis zu ≈ 1.5 % während in out-of-plane Messungen bis zu ≈ 8 % erreicht wurden. Für den TASP gelten Werte von in-plane ≈ 8 % und out-of-plane ≈ -25 %.
An einem 2. Wafer mit leicht reduzierter Dotierung des Kanals und erhöhter GaMnAs Schichtdicke konnten Spin-Diffusionslängen von über 10µm nachgewiesen werden. An diesem Material konnte ebenfalls bestätigt werden, dass die Kontrolle der magnetischen Anisotropien in GaMnAs durch lithographische Strukturierung möglich ist.

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