Magnetotransport properties of (Ge,Mn) ferromagnetic semiconductor grown on GaAs(001) for spintronics
Etude des propriétés des magnétotransport de (Ge,Mn) semiconducteur ferromagnétique sur GaAs(001) pour lélectronique de spin
Résumé
By low temperature Molecular Beam Epitaxy (MBE), (Ge,Mn) thin films with ferromagnetic nanostructures are grown on two types of GaAs substrates: epiready GaAs(001) (Ga-GeMn) and GaAs(001) with amorphous As capping layer (As-GeMn). In the Ga-GeMn samples, we observe self-organized Mn-rich nanocolumns which, depending on the initial surface morphology, are either parallel or entangled. Magnetic measurements evidence two magnetic phases: ferromagnetic nanocolumns with Curie temperature (TC) around 150K, and the Ge matrix made paramagnetic by diluted Mn. From measurements of magnetotransport, this p-type layer exhibits anomalous Hall effect (AHE) and various magnetoresistivity (MR): negative Giant MR at low temperature, parabolic ordinary MR, and an additional positive MR at low field. The simulation of magnetotransport properties has been initiated, with some assumptions on the energy-band diagram of p-type Ge semiconductor and Mn-rich nanocolumns, and shows how AHE in the inclusions induces AHE in the whole layer, and a mechanism of MR which accounts for this contribution (which we call Hall MR). In the As-GeMn samples, the outdiffusion of As atoms changes the growth mechanism, from a 2-dimention spinodal decomposition to a 3-dimention one with the formation of nanoprecipitates with Tc=50K and of ferromagnetic Ge3Mn5 clusters. Compensation effect between Mn (donor) and As (acceptor) dominates the transport behaviors. A highly anisotropic MR is observed in n-type (Ge,Mn) films and shown to be due to weak localization effects. Another contribution is tentatively attributed to tunneling MR due to the Schottky barrier, which forms at the interface between the metallic Mn-rich inclusions and the n-type Ge semiconductor.
En utilisant l'épitaxie par jets moléculaires à basse température, nous avons élaboré des couches de (Ge,Mn), contenant des nanostructures ferromagnétiques, sur deux types de substrats GaAs d'orientation (001) : des substrats GaAs « epiready » (échantillons « Ga-GeMn »), et des substrats encapsulés par de l'arsenic amorphe (échantillons « As-GeMn »). Dans les échantillons Ga-GeMn, nous obtenons la formation de nanocolonnes riches en Mn ; celles-ci sont parallèles entre elles, ou enchevêtrées, suivant la morphologie de surface initiale. Les mesures de magnétométrie révèlent deux phases magnétiques : les nanocolonnes ferromagnétiques avec une température de Curie de 150 K, et la matrice de germanium, rendue paramagnétique par la présence de Mn dilué. Les mesures de magnétotransport montrent que ces couches sont de type p, et révèlent un l'effet Hall anormal (AHE) et plusieurs contributions à la magnétorésistance : une magnétorésistance géante négative, à basse température, la magnétorésistante orbitale, parabolique, et une contribution supplémentaire à faible champ. Un calcul des propriétés de magnétotransport a été commencé en s'appuyant sur des hypothèses de la structure de bande entre les inclusions riches en Mn et la matrice semiconductrice de type p : celui-ci montre que la présence d'AHE dans les inclusions donne naissance à un AHE sur tout l'échantillon, mais aussi à un mécanisme de magnétorésistance qui rend compte de cette contribution (que nous appelons magnétorésistance Hall). Dans les échantillons As-GeMn, la diffusion de l'arsenic change le mode de croissance, avec une décomposition spinodale qui perd son caractère bidimensionnel pour devenir tridimensionnelle, avec la formation d'agrégats riches en Mn (température de Curie de l'ordre de 50 K) et d'agrégats de la phase ferromagnétique connue Ge3Mn5. La compensation entre Mn (accepteur) et As (donneur) gouverne les propriétés de transport. Dans les couches de type n, une forte anisotropie de la magnétorésistance est observée, dont nous montrons qu'elle est due à des effets de localisation faible. Une autre contribution à la magnétorésistance est observée, que nous suggérons d'attribuer à une magnétorésistance tunnel à travers la jonction Schottky qui se forme à l'interface entre les inclusions riches en Mn, qui sont métalliques, et le semiconducteur Ge de type n.
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