Arséniure de gallium manganèse - Gallium manganese arsenide
L'arséniure de manganèse de gallium , formule chimique (Ga,Mn)As est un semi-conducteur magnétique . Il est basé sur le deuxième semi - conducteur le plus utilisé au monde , l'arséniure de gallium (formule chimique GaAs ), et facilement compatible avec les technologies de semi-conducteurs existantes . Contrairement aux autres semi - conducteurs magnétiques dilués , tels que la majorité de ceux à base de semi-conducteurs II-VI , il n'est pas paramagnétique mais ferromagnétique , et présente donc un comportement d'aimantation hystérétique . Cet effet mémoire est important pour la création de dispositifs persistants. Dans (Ga,Mn)As , les atomes de manganèse fournissent un moment magnétique, et chacun agit également comme un accepteur , ce qui en fait un matériau de type p . La présence de porteurs permet au matériau d'être utilisé pour des courants polarisés en spin . En revanche, de nombreux autres semi-conducteurs magnétiques ferromagnétiques sont fortement isolants et ne possèdent donc pas de porteurs libres . (Ga,Mn)As est donc un candidat comme matériau spintronique .
Croissance
Comme les autres semi-conducteurs magnétiques, (Ga,Mn)As est formé en dopant un semi - conducteur standard avec des éléments magnétiques. Ceci est fait en utilisant la technique de croissance épitaxie par faisceau moléculaire , grâce à laquelle les structures cristallines peuvent être développées avec une précision de couche atomique. Dans (Ga,Mn)Comme le manganèse se substitue aux sites de gallium dans le cristal de GaAs et fournit un moment magnétique. Parce que le manganèse a une faible solubilité dans GaAs , l'incorporation d'une concentration suffisamment élevée pour que le ferromagnétisme soit atteint s'avère difficile. Dans la croissance par épitaxie par faisceau moléculaire standard, pour garantir l'obtention d'une bonne qualité structurelle, la température à laquelle le substrat est chauffé, connue sous le nom de température de croissance, est normalement élevée, généralement ~ 600 ° C. Cependant, si un flux important de manganèse est utilisé dans ces conditions, au lieu d'être incorporé, une ségrégation se produit lorsque le manganèse s'accumule à la surface et forme des complexes avec des atomes d'arsenic élémentaire. Ce problème a été surmonté en utilisant la technique d'épitaxie par faisceau moléculaire à basse température. Il a été découvert, d'abord dans (In,Mn)As et ensuite utilisé pour (Ga,Mn)As , qu'en utilisant des techniques de croissance cristalline hors équilibre, des concentrations plus importantes de dopants pouvaient être incorporées avec succès. À des températures plus basses, autour de 250 °C, l'énergie thermique est insuffisante pour qu'une ségrégation de surface se produise, mais toujours suffisante pour qu'un alliage monocristallin de bonne qualité se forme.
En plus de l'incorporation substitutive de manganèse, l'épitaxie par faisceau moléculaire à basse température provoque également l'inclusion d'autres impuretés. Les deux autres impuretés courantes sont les antisites interstitiels de manganèse et d'arsenic. Le premier est l'endroit où l'atome de manganèse se trouve entre les autres atomes de la structure en réseau zinc-mélange et le dernier est l'endroit où un atome d'arsenic occupe un site de gallium. Les deux impuretés agissent comme des donneurs doubles, supprimant les trous fournis par le manganèse de substitution, et en tant que telles, elles sont appelées défauts de compensation. Le manganèse interstitiel se lie également de manière antiferromagnétique au manganèse de substitution, supprimant le moment magnétique. Ces deux défauts nuisent aux propriétés ferromagnétiques du (Ga,Mn)As et sont donc indésirables.
La température en dessous de laquelle se produit la transition du paramagnétisme au ferromagnétisme est connue sous le nom de température de Curie , T C . Les prédictions théoriques basées sur le modèle Zener suggèrent que la température de Curie évolue avec la quantité de manganèse, donc une T C supérieure à 300°K est possible si des niveaux de dopage au manganèse aussi élevés que 10 % peuvent être atteints. Après sa découverte par Ohno et al. , les températures de Curie les plus élevées signalées en (Ga,Mn)As sont passées de 60°K à 110°K. Cependant, malgré les prédictions de ferromagnétisme à température ambiante , aucune amélioration de la T C n'a été faite pendant plusieurs années.
En raison de ce manque de progrès, des prédictions ont commencé à être faites que 110°K était une limite fondamentale pour (Ga,Mn)As . La nature auto-compensatrice des défauts limiterait les concentrations de trous possibles , empêchant d'autres gains de T C . La percée majeure est venue des améliorations du recuit post-croissance. En utilisant des températures de recuit comparables à la température de croissance, il a été possible de franchir la barrière de 110°K. Ces améliorations ont été attribuées à l'élimination du manganèse interstitiel hautement mobile.
Actuellement, les valeurs de T C les plus élevées signalées dans (Ga,Mn)As sont d'environ 173°K, toujours bien en deçà de la température ambiante très recherchée. En conséquence, les mesures sur ce matériau doivent être effectuées à des températures cryogéniques, excluant actuellement toute application en dehors du laboratoire. Naturellement, des efforts considérables sont consacrés à la recherche d'un semi-conducteur magnétique alternatif qui ne partage pas cette limitation. En plus de cela, à mesure que les techniques et l'équipement d'épitaxie par faisceau moléculaire sont affinés et améliorés, on espère qu'un meilleur contrôle des conditions de croissance permettra de nouvelles avancées incrémentielles dans la température de Curie de (Ga,Mn)As .
Propriétés
Indépendamment du fait que le ferromagnétisme à température ambiante n'a pas encore été atteint, les matériaux semi-conducteurs magnétiques tels que (Ga,Mn)As , ont montré un succès considérable. Grâce à la riche interaction de la physique inhérente aux semi-conducteurs magnétiques, une variété de nouveaux phénomènes et structures de dispositifs ont été démontrés. Il est donc instructif de dresser un bilan critique de ces principales évolutions.
Un résultat clé de la technologie des semi-conducteurs magnétiques est le ferromagnétisme gateable , où un champ électrique est utilisé pour contrôler les propriétés ferromagnétiques. Ceci a été réalisé par Ohno et al. utilisant un transistor à effet de champ à grille isolante avec (In,Mn)As comme canal magnétique. Les propriétés magnétiques ont été déduites des mesures Hall dépendantes de la magnétisation du canal. En utilisant l' action de la porte pour épuiser ou accumuler des trous dans le canal, il a été possible de changer la caractéristique de la réponse de Hall pour qu'elle soit celle d'un para - aimant ou d'un ferro - aimant . Lorsque la température de l'échantillon était proche de sa T C, il était possible d'activer ou de désactiver le ferromagnétisme en appliquant une tension de grille qui pouvait modifier la T C de ± 1°K.
Un dispositif de transistor similaire (In,Mn)As a été utilisé pour fournir d'autres exemples de ferromagnétisme gateable . Dans cette expérience, le champ électrique a été utilisé pour modifier le champ coercitif auquel se produit l'inversion de l'aimantation. En raison de la dépendance de l' hystérésis magnétique à la polarisation de la grille, le champ électrique pourrait être utilisé pour assister l'inversion de l'aimantation ou même démagnétiser le matériau ferromagnétique . La combinaison des fonctionnalités magnétiques et électroniques démontrée par cette expérience est l'un des objectifs de la spintronique et devrait avoir un grand impact technologique.
Une autre fonctionnalité spintronique importante qui a été démontrée dans les semi-conducteurs magnétiques est celle de l' injection de spin . C'est là que la polarisation de spin élevée inhérente à ces matériaux magnétiques est utilisée pour transférer des porteurs polarisés en spin dans un matériau non magnétique. Dans cet exemple, une hétérostructure entièrement épitaxiale a été utilisée où des trous polarisés en spin ont été injectés d'une couche de (Ga,Mn)As à un puits quantique (In,Ga)As où ils se combinent avec des électrons non polarisés d'un substrat de type n . Une polarisation de 8% a été mesurée dans l' électroluminescence résultante . Cela présente à nouveau un intérêt technologique potentiel car cela montre la possibilité que les états de spin dans les semi - conducteurs non magnétiques puissent être manipulés sans l'application d'un champ magnétique.
(Ga,Mn)As offre un excellent matériau pour étudier la mécanique des parois de domaines car les domaines peuvent avoir une taille de l'ordre de 100 m. Plusieurs études ont été réalisées dans lesquelles des constrictions latérales définies par lithographie ou d'autres points d'ancrage sont utilisés pour manipuler les parois du domaine . Ces expériences sont cruciales pour comprendre la nucléation et la propagation des parois de domaines qui seraient nécessaires à la création de circuits logiques complexes basés sur la mécanique des parois de domaines . De nombreuses propriétés des parois de domaine ne sont pas encore entièrement comprises et un problème particulièrement important est l'amplitude et la taille de la résistance associée au courant traversant les parois de domaine . Des valeurs à la fois positives et négatives de la résistance de la paroi du domaine ont été signalées, ce qui laisse un champ libre à de futures recherches.
Un exemple d'un dispositif simple qui utilise des parois de domaine épinglées est fourni à titre de référence. Cette expérience consistait en un îlot étroit défini lithographiquement connecté aux conducteurs via une paire de nanoconstrictions. Alors que le dispositif fonctionnait dans un régime diffusif, les constrictions épingleraient les parois du domaine , entraînant un signal de magnétorésistance géant . Lorsque le dispositif fonctionne dans un régime tunnel, un autre effet de magnétorésistance est observé, discuté ci-dessous.
Une autre propriété des parois de domaine est celle du mouvement de paroi de domaine induit par le courant . On pense que cette inversion se produit en raison du couple de transfert de spin exercé par un courant polarisé en spin . Il a été démontré en référence à l'aide d'un dispositif latéral (Ga,Mn)As contenant trois régions qui avaient été configurées pour avoir des champs coercitifs différents, permettant la formation facile d'une paroi de domaine . La région centrale a été conçue pour avoir la coercivité la plus faible afin que l'application d'impulsions de courant puisse provoquer la commutation de l'orientation de l'aimantation. Cette expérience a montré que le courant nécessaire pour réaliser cette inversion dans (Ga,Mn)As était inférieur de deux ordres de grandeur à celui des systèmes métalliques. Il a également été démontré que l'inversion de l'aimantation induite par le courant peut se produire à travers une jonction tunnel verticale (Ga,Mn)As/GaAs/(Ga,Mn)As .
Un autre nouvel effet spintronique , qui a été observé pour la première fois dans des dispositifs tunnel à base de (Ga,Mn)As , est l'effet tunnel de la magnétorésistance anisotrope. Cet effet résulte de la dépendance complexe de la densité d'états tunnel sur l'aimantation, et peut entraîner une magnétorésistance de plusieurs ordres de grandeur. Cela a été démontré d'abord dans des structures de tunnels verticaux, puis plus tard dans des dispositifs latéraux. Cela a établi la magnétorésistance anisotrope tunnel comme propriété générique des structures tunnel ferromagnétiques. De même, la dépendance de l'énergie de charge d'un seul électron vis-à-vis de l'aimantation a entraîné l'observation d'un autre effet de magnétorésistance spectaculaire dans un dispositif (Ga,Mn)As , la magnétorésistance anisotrope dite de blocage de Coulomb .