Stephan Kreuzer

Spinpolarisiertes Tunneln durch einkristalline Halbleiterbarrieren

Dissertation
Logos Verlag Berlin
ISBN 3-89722-759-2

Spintronik will den Spin des Elektrons zusätzlich zu seiner Ladung in elektronischen Bauelementen nutzen. In Ferromagnet/Halbleiter-Hybridsystemen sollen itinerante 3d-Ferromagnete als Quelle und Detektor für spinpolarisierte Ströme dienen. Dazu müssen Elektronen unter Beibehaltung ihrer Spinorientierung über die Grenzfläche zwischen Ferromagnet und Halbleiter transportiert werden können. Dies durch die Messung des Magnetowiderstandes in Tunnelelementen mit ferromagnetischen Kontakten und einer Barriere aus einkristallinem Halbleitermaterial nachzuweisen, war das grundlegende Ziel dieser Arbeit.

Im Vordergrund stand die Realisierung von Tunnelelementen mit einer einkristallinen GaAs-Barriere. Dazu wurde ein Präparationsverfahren entwickelt, das aus einer Kombination von Epoxidbonden und selektivem Ätzen besteht und deshalb ohne Epitaxie von Halbleitern auf Metallen auskommt. Dadurch können eine Vielzahl von Metallen als Kontaktmaterial verwendet werden.

Als Ausgangsmaterial diente eine Halbleiterheterostruktur, deren Schichtfolge so festgelegt wurde, daß mit der Tunnelbarriere gleichzeitig Stütz- und Isolationselemente aus GaAs und AlGaAs integriert werden konnten. Es wurden Tunnelelemente mit 5 nm, 5,5 nm, 6 nm, 8 nm und 10 nm dicken GaAs-Barrieren präpariert. Durch die Dicke der aufgedampften Fe-Kontakte wurde die Koerzitivfeldstärke festgelegt, was zu einer effektiven Antiparallelstellung der Magnetisierungsrichtungen während des Ummagnetisierungsvorganges führt.

Die Qualität der Tunnelelemente konnte mit temperaturabhängigen Messungen der Strom-Spannungs-Charakteristik bestätigt werden. Die exponentielle Abhängigkeit des Tunnelstroms von der Barrierendicke und eine Temperaturabhängigkeit, die eindeutig mit der der Bandlücke von GaAs korreliert, belegen, daß der Transport durch Tunneln dominiert wird. Magnetfeldabhängige Messungen des Tunnelwiderstandes der Fe/GaAs/Fe-Proben zeigten einen ausgeprägten positiven Magnetowiderstand. Wie ein Vergleich mit Magnetisierungsmessungen an den für die Kontakte verwendeten Fe-Schichten bestätigt, kann dieser auf die Ummagnetisierung der Fe-Kontakte zurückgeführt werden. Stehen die Magnetisierungsrichtungen der Kontakte antiparallel zueinander, dann ist der Tunnelwiderstand größer als bei Parallelstellung.

Die vorliegende Arbeit konnte damit die wesentliche Frage, ob ein Transport spinpolarisierter Elektronen über die Fe/GaAs-Grenzfläche möglich ist, mit Ja beantworten. Die neu entwickelte Präparationsmethode erlaubt eine Vielzahl zukünftiger Experimente, wie zum Beispiel die Implementierung dotierter GaAs-Schichten und III/V-basierter Halbleiterheterostrukturen als Barriere, oder auch Tunnelexperimente mit supraleitenden Kontakten zur direkten Messung der Spinpolarisation polykristalliner und epitaktischer Ferromagnete.


Das Promotionsgesuch wurde eingereicht am 18.07.2001
Tag der mündlichen Prüfung: 14.09.2001

Die Arbeit wurde angeleitet von Prof. Dr. Dieter Weiss