Herstellung und Charakterisierung vollständig epitaktischer magnetischer Tunnelelemente mit Halbleiterbarriere

摘要

Im Rahmen dieser Arbeit sollte getestet werden, ob vollständig einkristalline Tunnelmagnetowiderstandselemente mit einer Halbleiterbarriere und ausreichend scharfen Grenzflächen durch epitaktische Schichtabscheidung hergestellt werden können. Die Schwerpunkte waren dabei das Wachstum und die laterale Strukturierung des Schichtsystems, das Umschaltverhalten der beiden magnetischen Schichten und die Transportmessungen, die schließlich einen Magnetowiderstandseffekt zeigten.udDie Herstellung des Schichtsystems GaAs / Fe / ZnSe / Fe / Au erfolgte in einer Metall- und einer Halbleiter-MBE-Anlage, wobei die Proben unter UHV-Bedingungen von einer Kammer zur anderen transferiert wurden. Eine besondere Herausforderung stellte dabei das epitaktische Wachstum von ZnSe auf Fe dar, da es bei Substrattemperaturen oberhalb von 270°C zu einer massiven Durchmischung mit Eisen kommt, bei tieferen Temperaturen aber kein einkristallines Wachstum stattfindet. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet das Verdampfen der ZnSe-Schicht aus einem einzelnen Tiegel. Hier wurde ab einer Substrattemperatur von 200°C einkristallines fcc-Wachstum von ZnSe auf Fe festgestellt, wobei eine Verunreinigung der Barriere mit Fe-Atomen zwar nicht völlig ausgeschlossen werden kann, aber zumindest keine messbare Durchmischung mehr vorliegt. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte mit Hilfe der Elektronenholografie an Querschnittspräparaten gezeigt werden, dass eine mögliche Durchmischungszone an den Grenzflächen dünner als 1nm sein muss.udUm Magnetotransportmessungen durchführen zu können, wurde das Schichtsystem mit Hilfe von fotolithografischen Methoden strukturiert, so dass die Tunnelfläche auf eine Größe von 20µm x 20µm eingeschränkt wurde. udDie magnetischen Untersuchungen an den ausgedehnten einkristallinen Proben zeigten, dass oberhalb von 150K die 2,2nm dicke Fe-Schicht bei kleineren Magnetfeldern umschaltet als die 17,5nm dicke Fe-Schicht. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfelder beider Eisenschichten nähern sich die Umschaltfelder mit abnehmender Temperatur an. Unterhalb von 150K schalten beide Schichten bei dem gleichen Magnetfeld. Da gerade bei tiefen Temperaturen die größten Magnetowiderstandseffekte erwartet werden, wurde versucht, auch in diesem Temperaturbereich ein getrenntes Schalten der beiden ferromagnetischen Schichten zu erreichen. Dies gelang durch die ferromagnetische Kopplung einer weichmagnetischen Permalloy-Schicht an den 2,2nm dicken Fe-Film, so dass im gesamten untersuchten Temperaturbereich ein getrenntes Umschalten der beiden ferromagnetischen Elektroden erreicht werden konnte.udDie entscheidenden Messungen sind jedoch letztendlich die Magnetotransportmessungen. Der maximale Magnetowiderstandswert, der bei einer Barrierendicke von 8nm und einer Temperatur von 50K gemessen wurde, betrug dabei 0,24%. Dagegen konnte bei Barrierendicken oberhalb von 8nm und unterhalb von 5nm kein Tunnelmagnetowiderstandseffekt festgestellt werden. Der Grund für den kleinen Magnetowiderstandswert und den kleinen Dickenbereich, in dem ein Effekt gemessen werden konnte, ist ein dominierender Anteil an diffusivem Stromtransport über die ZnSe-Barriere, der dem Tunnelstrom überlagert ist und sich bei den dünneren Barrieren in nahezu ohmschen Strom-Spannungs-Kennlinien zeigt. Bei Tunnelelementen mit Barrieren über 10nm konnten zwar nichtlineare Kennlinien gemessen werden, diese können aber auch durch "hopping"-Prozesse über eine verunreinigte Barriere hervorgerufen werden, wofür auch die starke Temperaturabhängigkeit dieser Strom-Spannungs-Kennlinien spricht.