Magnetic, electric and structural properties and spin polarized transport in MnAs-GaAs hybrid structures
Propriétés magnétiques, électriques et structurales et transport polarisé en spin dans des structures hybrides MnAs-GaAs
Résumé
High quality growth of ferromagnetic metals/III-V semiconductors heterostructures is an interesting challenge since it allows the integration of the robust magnetism of metals to the semiconductor technology. Nevertheless, the growth conditions of these two materials are totally different, making the growth of hybrid structures quiet complicated (i.e. magnetic tunnel junction). Indeed, at the optimal growth temperature of the III-V SC, the diffusion at the FM/SC III-V interface is very important and result in a rough and undefined interface. In order to prevent diffusion at the MF/SC III-V at the interface, the SC is grown at low temperature. The method results in a SC barrier with a poor quality. The low reactivity and high spin polarization at the MnAs/GaAs interface make this couple of materials a good candidate for FM/SC junctions growth. Recently, MnAs nano-clusters embedded in a GaAs matrix showed quite important magnetoresistance effects. After the MnAs clusters, by annealing a GaMnAs/GaAs(001) layer at high temperature (>400 ◦C), others III-V compounds can be grown on top of it, making this granular layer very attractive for magnetic tunnel junction heterostructures growth. We studied magnetic tunnel junctions MnAs/SC III-V/clusters of MnAs in a GaAs matrix (GaAs:MnAs), which the growth conditions of the bottom electrode (in situ annealing of a GaMnAs layer at T>500 ◦C) can significantly increase the structural and chemical quality of the SC barrier. This work can be divided into three parts. Firstly, the growth conditions of GaAs:MnAs/GaAs(001) and MnAs/GaAs(001) layers have been optimized. Then, original studies of magnetic force microscopy and photoemission spectroscopy (in situ and at the ESRF synchrotron) studies have been carried on MnAs/GaAs(001), GaAs:MnAs/GaAs(001) and GaMnAs/GaAs(001) thin films. This measurements lead to important informations to the elaboration of hybrid structures. Finally, the spin polarized transport through MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs junctions has been studied.
Le couplage d'un métal ferromagnétique (MF) et d'un semiconducteur (SC) permettrait d'intégrer un nouveau degré de liberté - le spin - aux propriétés logiques et optiques des semiconducteurs. Cependant, l'élaboration de jonctions tunnel magnétiques (JTM) couplant ces deux types de matériaux (barrières MF/SC/MF) présente des difficultés majeures. En effet, à la température de croissance optimale de la barrière semiconductrice (∼580 ◦C), le métal de l'électrode inférieure diffuse à travers l'interface pour s'incorporer à la barrière et ainsi réduire les effets de magnétorésistance. Pour éviter l'interdiffusion, la barrière doit être élaborée à basse température. Ce procédé implique l'incorporation d'antisites d'As dans la barrière SC qui réduit, encore une fois, les effets magnétorésistifs. Le couple MnAs/GaAs est considéré comme un bon candidat pour la réalisation de jonction hybride MF/SC /MF à cause de la faible réactivité et de la forte polarisation à l'interface. Afin de faire croître des JTM de bonne qualité chimique et cristalline, nous avons étudié des jonctions tunnel originales où l'électrode inférieure est une couche de clusters de MnAs dans une matrice de GaAs (GaAs:MnAs). Cet électrode est couvert par une barrière de SC III-V et par une électrode supérieure composée par une couche continue de MnAs. Le protocole de croissance de l'électrode inférieure (recuit in situ d'une couche de GaMnAs à T>500řC) permet simultanément de recuire la barrière semiconductrice et d'augmenter considérablement la qualité structurale et chimique de la barrière. Ce travail a été réalisé en trois parties. Dans un premier temps, les conditions d'élaboration de couches de GaAs:MnAs/GaAs(001) et de MnAs/GaAs(001) ont été optimisées. Ensuite, nous avons mené des études originales de microscopie à gradient de force magnétique et de spectroscopie de photoémission (in situ et au synchrotron). Ces mesures ont permis de faire ressortir des informations pertinentes pour l'intégration de ces couches en tant qu'électrode magnétique pour l'électronique de spin. Enfin, une étude du transport tunnel polarisé en spin a été conduite sur des jonctions tunnel MnAs/SC III-V/GaAs:MnAs.
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