Ferromagnetic (Ga,Mn)As Layers and ... - OPUS Würzburg

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4 Contents 4.3.1 Relative Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3.2 Etch Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4 Simulation Results – (In,Ga)As/(Ga,Mn)As . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.5 Stripes Along [1¯10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5 Local Anisotropy Control by Strain Engineering 61 5.1 Patterning and Structural Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.1.1 HRXRD Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.1.2 GIXRD RSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Magnetic Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.1 SQUID Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.2.2 Transport Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3 Shape Anisotropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.4 A Model for Anisotropy Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6 Device Application 85 6.1 Device Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.2 The Role of the Constriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 7 Conclusion and Outlook 93 A Band Structure Hamiltonians 95 A.1 Kohn-Luttinger Hamiltonian H KL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 A.2 Strain Hamiltonian H e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 B Sample FlexPDE Input File 97 Bibliography 101
Zusammenfassung Ferromagnetische Halbleiter (ferromagnetic semiconductors, FS) versprechen die Integration magnetischer Datenspeicherung und Datenverarbeitung auf Halbleiterbasis innerhalb eines einzigen Materialsystems. Das Modellsystem für diese Klasse von Materialien ist der FS (Ga,Mn)As. Als solches ist dieses Modellsystem in den letzten Jahren in den Mittelpunkt intensiver Forschungsbemühungen gerückt. Die Kopplung seiner magnetischen und halbleitenden Eigenschaften durch Spin-Bahn Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuartiger Phänomene mit breit gefächertem Anwendungspotential im Bereich der Spintronik. Seit der ersten ausführlichen Beschreibung des Materialsystems 1998 durch H. Ohno [Ohno 98] ist das Wissen um seine experimentellen und theoretischen Aspekte rapide gewachsen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine umfassende Einführung in die Eigenschaften dieses Materialsystems und den technologischen Stand der Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE), die dazu dient (Ga,Mn)As Schichten höchster Qualität herzustellen, zu liefern. Der experimentelle Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf eine Technik, mit der es möglich ist, lokale Kontrolle über die magnetische Anisotropie des Materials mittels lithographisch bedingter Veränderung der Verspannung zu erreichen. Das (Ga,Mn)As Materialsystem ist eine neue Anwendung der MBE Technologie, die aus den späten 1960er Jahren stammt. Das erfolgreiche epitaktische Wachstum von Halbleitern erfordert die präzise Kontrolle mehrerer Wachstumsparameter. Dazu zählen die Temperatur der Effusionszellen, die Wachstumstemperatur, das Verhältnis der Materialflüsse sowie die Wachstumsrate. Wegen seiner niedrigen Löslichkeit unter thermischen Gleichgewichtsbedingungen muss das Wachstum von (Ga,Mn)As bei sehr niedrigen Temperaturen (270 ◦ C verglichen mit 580 ◦ C für GaAs) stattfinden. Zu den wichtigsten Charakterisierungsmethoden des epitaktischen Wachstums zählen in-situ Elektronenstrahlbeugung (reflection high energy electron diffraction, RHEED) und ex-situ hochauflösende Röntgenstrahlbeugung (high resolution x-ray diffraction, HRXRD). Ein weiteres hilfreiches Werkzeug ist die Nomarksi-Mikroskopie zur Beurteilung der Qualität des Wachstums und einer Reihe von Oberflächendefekten, die durch den Wachstumsprozess bedingt sind. (Ga,Mn)As wird typischerweise unter kompressiver Verspannung auf einem GaAs Substrat gewachsen. In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf ausgedehnten Schichten mit vergleichsweise einfacher Verspannung. Obwohl schon seit einiger Zeit bekannt ist, dass die Verspannung des Gitters eine der treibenden Kräfte ist, die das Verhalten der komplexen magnetischen Anisotropie von (Ga,Mn)As bestimmen [Diet 01, Abol 01], ist die detaillierte Untersuchung der Bedeutung dieses Parameters eine neue Entwicklung. Aktuelle Forschung, wie die Technik, die im Mittelpunkt dieser Arbeit steht, macht sich anisotrope Verspannungen zunutze, um Einfluss auf die magnetische Anisotropie zu nehmen. Experimentell wird anisotrope 5
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Bibliography [Abol 01] M. Abolfath,
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103 [McGu 75] T. R. McGuire and R.
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Acknowledgements There is a number
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