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Strukturelle, magnetische und gitterdynamische Grenzflächeneigenschaften von epitaktischen Eisenfilmen auf InAs(001)- und GaAs(001)-Substraten

Peters, Robert

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Struktur, Magnetismus und Grenzflächeneigenschaften von Ferromagnet-Halbleiter-Hybridstrukturen untersucht. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, Information über die physikalischen Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen einem ferromagnetischem Metall und einem III-V-Halbleiter (HL) zu erhalten. Dazu wurden Fe-Filme als ferromagnetische Kontakte auf InAs(001)- bzw. GaAs(001)-Substraten im Ultrahochvakuum (UHV) aufgebracht und untersucht. Beide Systeme sind als Modellsysteme im Hinblick auf die elektrische Spininjektion von einem ferromagnetischen Metall in den Halbleiter interessant. Damit Spininjektion stattfinden kann, muss sich bekanntlich an der Fe/HL-Grenzfläche eine Schottky-Barriere ausbilden. Das Filmwachstum und die Filmstruktur wurde in-situ im UHV mit Elektronenbeugung (RHEED) und ex-situ mit Röntgenbeugung untersucht. Zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften wurde die 57Fe-Konversionselektronen-Mössbauerspektroskopie (CEMS) in Verbindung mit der 57Fe-Sondenschichttechnik bei verschiedenen Temperaturen eingesetzt. Ferner wurde an einer 57Fe-Sondenschicht mittels kernresonanter inelastischer Röntgenstreuung (NRIXS) die partielle Fe-Phononenzustandsdichte (PDOS) an der Fe/InAs(001)-Grenzfläche ermittelt.

In der Arbeit wird über die erfolgreiche Herstellung und Untersuchung epitaktischer Fe(001)-Filme auf InAs(001) mit in der Filmebene liegender Spinrichtung berichtet. Von besonderem Interesse für potentielle Anwendungen waren auch nanoskalierte Fe/Tb-Vielfachschichten als Kontakte auf InAs(001) mit einer Fe-Spintextur senkrecht zur Filmebene. Es wird gezeigt, dass der erste Eisenfilm an der Grenzfläche zwar epitaktisch auf InAs(001) aufwächst, aber im Anfangsstadium des Wachstums eine stark gestörte Struktur besitzt, sei es aufgrund der relativ großen Gitterfehlanpassung oder durch As-Diffusion aus dem Substrat in den Eisenfilm. Der hier beobachtete nicht monotone Verlauf der planaren Gitterkonstanten des Fe mit zunehmender Schichtdicke konnte mit Inselbildung und Perkolation korreliert werden, wie sie mittels Raster-Tunnelmikroskopie (STM) in der Literatur gefunden wurde. Die CEM-Spektren bei Raumtemperatur ergaben relativ hohe Werte von 〈Bhf〉 ~ 27 T für das mittlere magnetische Hyperfeinfeld bzw. von Bhf, peak ~ 30 T für das wahrscheinlichste magnetische Hyperfeinfeld an der Grenzfläche. Dies weist auf relativ hohe mittlere Fe-Momente von ~ 1.8µB hin. Weiterhin zeigt dies, dass keine "magnetisch tote Schicht" an der Grenzfläche vorliegt. Das ermittelte hohe magnetische Fe-Moment an der Fe/InAs(001)-Grenzfläche ist eine günstige Voraussetzung für die Spininjektion. Die partielle Fe-Phononenzustandsdichte (PDOS) an der Fe/InAs(001)-Grenzfläche zeigt eine deutliche Veränderung im Vergleich zu massivem bcc-Fe. Sie ähnelt der PDOS von stark ungeordneten oder amorphen Legierungen. Dies macht sich durch eine Verschiebung der Phononen-Zustände hin zu niedrigeren Energien und eine deutliche Unterdrückung des hochenergetischen longitudinalen Phononen-Peaks bei ca. 36 meV bemerkbar, wobei die obere Abschneideenergie erhalten bleibt. Dieses Weichwerden der Phononen an der Grenzfläche sollte sich in erhöhtem elektronischen Rauschen in zukünftigen Bauelementen widerspiegeln.

An den Fe/Tb-Vielfachschichten auf InAs(001) wurde mittels Magnetometrie und 57Fe-CEMS eine stark temperaturabhängige Richtung der Magnetisierung beobachtet: Je tiefer die Temperatur, desto größer ist die Magnetisierungskomponente senkrecht zur Filmoberfläche. Dies konnte auch an Fe/Tb-Vielfachschichten auf p-InAs(001) nachgewiesen werden. Ferner wird gezeigt, dass solche Fe/Tb-Vielfachschichten mit senkrechter Spintextur auf p-InAs(001) als potentielle elektrische Kontakte für Spininjektion in Remanenz (im Nullfeld) in Frage kommen, da bei tiefer Temperatur Strom-Spannungs-Kennlinien mit typischer Diodencharakteristik gemessen wurden, was auf eine Schottky-Barriere hinweist. An diesen Proben konnte bei tiefer Temperatur Elektrolumineszenz im Infrarotbereich bei ca. 3 µm beobachtet werden. Somit bietet sich prinzipiell die Möglichkeit, die elektrische Spininjektion in diesen Proben in Remanenz optisch nachzuweisen. In vorläufigen Untersuchungen dazu konnte allerdings an meinen Proben keine zirkulare Polarisation des Elektroluminiszenzlichtes beobachtet werden, wie man es bei Rekombination von Löchern mit spinpolarisierten Elektronen erwarten würde. Mögliche Gründe dafür werden diskutiert.

Auf GaAs(001) wurden ultradünne Fe-Filme mit einer Bedeckung von 2.5 Monolagen aufgedampft, deren Inseln noch nicht perkoliert waren, und in-situ im UHV mit 57Fe-CEMS auf ihre magnetischen Eigenschaften hin untersucht. Temperaturabhängige CEM-Spektren weisen auf superparamagnetisches Verhalten dieser unbedeckten Fe-Inseln hin mit einer Blocking-Temperatur von TB ~ 165 K. Unterhalb von TB existiert ein linearer Zusammenhang zwischen Temperatur und mittlerem magnetischem Hyperfeinfeld 〈Bhf〉. Damit konnte gezeigt werden, dass es an "freien" (unbedeckten) Fe-Inseln auf GaAs(001) im UHV einen Übergang vom Superparamagnetismus zum eingefrorenen Ferromagnetismus gibt. Darüber hinaus wurde der Einfluss unterschiedlicher Deckschichten (Pt, Au) auf die magnetischen Eigenschaften der Fe-Inseln untersucht.

In this thesis the structure, magnetism and interface properties of ferromagnet-semiconductor hybrid structures were investigated. The main goal of this thesis was to obtain information on physical properties at the interface between a ferromagnetic metal and a III-V semiconductor (SC). For this purpose Fe films that serve as ferromagnetic contacts were deposited in ultrahigh vacuum (UHV) on InAs(001) and GaAs(001) substrates, respectively, and investigated. Both systems are interesting model systems with respect to electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a semiconductor. In order for spin injection to occur, it is known that a Schottky barrier must form at the Fe/SC interface. Film growth and film structure were investigated in-situ in UHV by electron diffraction (RHEED) and ex-situ by X-ray diffraction. For determining the magnetic properties 57Fe conversion electron Mössbauer spectroscopy (CEMS) combined with 57Fe probe-layer technique was employed at different temperatures. Further, the partial Fe phonon density of states (PDOS) at the Fe/InAs(001) interface was determined by nuclear resonant inelastic X-ray scattering (NRIXS) from an 57Fe probe-layer.

The successful preparation and investigation of epitaxial Fe(001) films on InAs(001) with in-plane spin direction is reported. In view of potential applications, also nanoscale Fe/Tb multilayer contacts on InAs(001) with an Fe spin texture perpendicular to the film plane were of interest. It is demonstrated that the first Fe film from the interface grows epitaxially on InAs(001); however, in the initial stage of growth it has a strongly disturbed structure, either due to the relatively large lattice misfit or due to As diffusion from the substrate into the Fe film. The observed non-monotonic behavior of the in-plane Fe lattice parameter with increasing film thickness could be correlated with island formation and percolation, as obtained by scanning tunneling microscopy (STM) and reported in the literature. The CEM spectra (at room temperature) provided relatively high values of the average hyperfine magnetic field of 〈Bhf〉 ~ 27 T and of the most-probable hyperfine magnetic field of Bhf, peak ~ 30 T. This provides evidence for relativ high average Fe magnetic moments of ~ 1.8 µB. Further, this result demonstrates that no "magnetic dead layer" exists at the interface. The resulting high Fe magnetic moment at the Fe/InAs(001) interface is a favorable prerequisit for spin injection. The partial Fe phonon density of states (PDOS) at the Fe/InAs(001) interface is remarkably modified as compared to that of bulk bcc Fe. It resembles the PDOS of strongly disordered or amorphous alloys. This is revealed by a shift of the phonon states toward lower energies and a significant suppression of the high-energy longitudinal phonon peak at about 36 meV, whereby the cut-off energy remains unchanged. This phonon softening at the interface should be reflected in enhanced electronic noise in future devices.

Using magnetometry and 57Fe CEMS, a strong temperature dependent magnetization directions was observed for Fe/Tb multilayers on InAs(001): the lower the temperature, the larger is the magnetization component perpendicular to the film surface. This could be detected also for Fe/Tb multilayers on p-InAs(001). Furthermore it is shown that such Fe/Tb multilayers on p-InAs(001) with perpendicular spin texture are useful as potential electrical contacts for spin injection at remanence (in zero field), because current-voltage behavior with typical diode characteristics was measured at low temperatures, providing evidence for a Schottky barrier. With these samples at low temperature, electroluminescence in the infrared region at about 3 µm was observed. In principle, this offers the possibility for optical detection of electrical spin injection with these samples at remanence. However, in preliminary experiments on these samples no circular polarization of the electroluminescent light could be observed, as one would expect from recombination of holes with spin-polarized electrons. The reasons are discussed.

Ultrathin Fe films of 2.5 monolayers coverage with an non-percolated island morphology were deposited on GaAs(001) and investigated in-situ in UHV by 57Fe CEMS with respect to their magnetic properties. Temperature dependent CEM spectra provide evidence for superparamagnetic behavior of these uncapped Fe islands, with a blocking temperature of TB ~ 165 K. Below TB, a linear relationship between temperature and average hyperfine magnetic field 〈Bhf〉 exists. These results demonstrate that there is a transition from superparamagnetism to frozen ferromagnetism in "free"' (uncapped) Fe islands on GaAs(001). Moreover, the influence of different cap layers (Pt, Au) on the magnetic properties of the Fe islands was studied.

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Peters, Robert: Strukturelle, magnetische und gitterdynamische Grenzflächeneigenschaften von epitaktischen Eisenfilmen auf InAs(001)- und GaAs(001)-Substraten. 2009.

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