"Herstellung und Charakterisierung epitaktischer Ni₂MnIn Heusler/Halbleiter-Hybridsysteme"

"Preparation and characterization of epitaxial Ni₂MnIn Heusler/semiconductor hybrid systems"

Kurzfassung

Die Heuslerlegierung Ni₂MnIn ist ein idealer Kandidat für spininjizierende, ferromagnetische Elektroden bei zukünftigen spintronischen Bauelementen auf Basis von InAs(001). In dieser Dissertation wurde untersucht, wie sich die Wachstumsparameter Substrattemperatur und Schichtdicke auf morphologische, strukturelle, magnetische und elektrische Eigenschaften von Ni₂MnIn-Heusler/Halbleiter-Hybridsystemen auswirken. Die Heuslerdeposition erfolgte mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf kontaminationsfreie Halbleiteroberflächen in einer hierfür aufgebauten Metall-Wachstumskammer. Diese ist über einen in-vacuo Transfer mit einer kommerziellen III/V-Halbleiter-MBE verbunden. Das Konzept einer neuen, optimierten Metall-MBE wurde später mittels 3D-CAD konstruktiv umgesetzt. Die Untersuchung der hergestellten Ni₂MnIn/InAs(001)-Proben ergab, dass Zwischengitter-Diffusion von Arsen aus dem Substrat in die Heuslerschicht bei einer Wachstumstemperatur oberhalb von 80 °C zur Ausbildung einer Reaktionszone führt, deren Dicke mit zunehmender Substrattemperatur weiter ansteigt. Für die optimale Wachstumstemperatur von Ni₂MnIn auf InAs(001) in der L2₁-Phase wurde ein Fenster zwischen 250 °C und 300 °C bestimmt. Unterhalb 250 °C liegt die Heuslerschicht in der B2-Phase vor, oberhalb 300 °C setzt eine starke Zunahme der Grenzflächenreaktion ein. Sowohl Substrattemperatur als auch Schichtdicke zeigten in Messungen einen Einfluss auf die Spinpolarisation, die Curietemperatur und die kristallographische Phase der durchweg ferromagnetischen Ni₂MnIn-Heuslerschichten. Die höchste Curietemperatur von T_c = 315 K wurde an einer 100 nm dicken, bei 300 °C gewachsenen Ni2MnIn-Schicht gemessen. Heuslerschichten auf InAs(001) mit optimaler Wachstumstemperatur und mit 100 nm Dicke weisen die höchsten Werte der mittels Magneto-Optischer Ellipsometrie bestimmten Spinpolarisation auf. Während bei 250 °C hergestellte Proben ein klassisches pseudomorphes Wachstum unter Spannungsabbau durch tetragonale Verzerrung auftritt, wurde für Probenwachstum oberhalb 300 °C eine <1-10>-Orientierung der Ni₂MnIn-Elementarzelle relativ zur InAs(001)-Substratoberfläche beobachtet. Beim Wachstum von Ni₂MnIn auf einer modulationsdodierten InGaAs/InAs/InGaAs-Heterostruktur mit metamorphem In₇₅Al₂₅As-Puffer auf GaAs(001) wurde in Röntgenbeugungsexperimenten eine Verbeiterung des InAs-Signals vom pseudomorph verspannten und unrelaxierten InAs-Kanal beobachtet. Bei den Reflexen des metamorphen Puffers war im Vergleich zu einer Referenzprobe ohne Heuslerschicht keine Veränderung erkennbar, abgesehen von einer Abnahme der Signalintensität. Die Verwendung solcher Heusler/InAs-HEMT-Hybridstrukturen ist für die zukünftige Realisierung eines Spin-FET vielversprechend.

Titel

Kurzfassung

Summary

The Heusler alloy Ni₂MnIn is an ideal candidate material for spin injecting ferromagnetic electrodes of future spintronic devices based on InAs(001) semiconductors. This thesis reports on the influence of growth parameters such as substrate temperature and layer thickness on morphological, structural, magnetic and electronic properties of Ni₂MnIn Heusler/Semiconductor hybrid systems, grown with molecular beam epitaxy (MBE). For Heusler alloy deposition on fresh and clean semiconductor surfaces a custom made, home built metal growth chamber was used, that connects to a commercial III/V semiconductor MBE via an in-vacuo transfer system. Improved concepts of a new and optimized metal MBE system have been embodied in a 3D CAD construction during later work. Investigations on the grown Ni₂MnIn/InAs(001) samples revealed, that during growth beyond 80 °C an intermixing layer arises at the Heusler/substrate interface which is formed by diffusion of arsenic from the substrate to the deposit. The intermixing process is found to take place via interstitial sites and becomes increasingly severe with rising growth temperature. The optimum growth temperature for deposition of Ni₂MnIn on InAs(001) in the desired L2₁ phase was found to be between 250 °C and 300 °C. Below 250 °C the Heusler film is crystalized in the B2 phase, above 300 °C the onset of increasingly strong interfacial reactions is observed. All Ni₂MnIn films on InAs are ferromagnetic, with substrate temperature as well as layer thickness having an influence on resulting spin polarization, Curie temperature and crystallographic phase. The highest Curie temperature of T_c = 315 K was measured on a 100 nm thick Ni₂MnIn film, grown at 300 °C on InAs(001). Heusler layers with 100 nm thickness and grown within the optimum temperature range were found to posses the highest spin polarization in magneto-optical ellipsometry investigations. While samples grown at 250 °C undergo classical pseudomorphic strain relaxation via tetragonal distortion of the deposited layer, a <1-10> orientation of the Ni₂MnIn unit cell in relation to the InAs(001) substrate surface was observed for sample growth beyond 300 °C. The growth of Ni₂MnIn on modulation doped InGaAs/InAs/InGaAs heterostructures with metamorphic In₇₅Al₂₅As buffer on GaAs(001) substrate did not result in relaxation phenomena of the pseudomorphic strained InAs channel. Investigations using x-ray diffraction revealed only a peak broadening of the InAs maximum. The diffraction signal signature of the metamorphic buffer did not change in comparison to a reference sample without Heusler layer. Only a decrease in signal intensity was observed. The application of such Heusler/InAs-HEMT hybrid structures is promising for the future implementation of a Spin-FET.