"Neuartige Magnetowiderstandseffekte in mikrostrukturierten Metall-Halbleiter Hybridstrukturen hergestellt durch Überwachsen von Bruchkanten"

"Novel magnetoresistance effects in microstructured metal-semiconductor hybrid structures fabricated by cleaved-edge overgrowth"

Kurzfassung

Metall-Halbleiter-Hybridstrukturen sind von besonders großem Interesse, sowohl in der Grundlagenforschung, als auch für technische Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mikrostrukturierte Metall-Halbleiter-Hybridstrukturen untersucht, die neuartige Magnetotransporteffekte zeigten.

Die Hybridstrukturen wurden mittels eines neuen Verfahrens hergestellt, das im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde: Hierzu wurde eine InAs-Heterostruktur mit einem integrierten zweidimensionalen Elektronensystem (2DES) entlang einer Kristallachse gebrochen und die frische Bruchkante mit Metall bedampft. Mit diesem Verfahren können hochreine Grenzflächen hergestellt werden. Dafür mussten besondere Präparationstechniken entwickelt werden, da viele herkömmliche Techniken nur auf ebenen Oberflächen angewendet werden können. Es gelang damit Hybridstrukturen mit sehr kleinen Grenzflächenwiderständen, Ferromagnet-InAs(2DES)-Ferromagnet-Hybridstrukturen mit sub-µm 2DES-Kanallängen und Metalloxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistoren auf der Bruchkante zu realisieren.

Zum einen fanden wir, dass die so hergestellten Au-InAs(2DES)-Hybridstrukturenden extraordinären Magnetowiderstandseffekt (EMR-Effekt) zeigten. Die Ursache des EMR-Effekt ist eine Magnetfeld bedingte Stromumverteilung zwischen zwei Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit. Der relative Magnetowiderstandseffekt R_B=1T - R_B=0/R_B=0 bei 4,2 K erreichte Werte von bis zu 115.000 %, die durchaus auf technische Anwendungen hinweisen. Der Einfluss der Geometrie, der 2DES Eigenschaften und des Kontaktwiderstandes auf den EMR-Effekt wurde untersucht. Auch durchgeführte Rauschmessungen lassen erwarten, dass der EMR-Effekt in Sensoren eingesetzt werden könnte.

Zum anderen behandelt diese Arbeit Ferromagnet-InAs(2DES)-Ferromagnet-Hybridstrukturen mit Hinblick auf Spintransportphänomene. Dazu wurden zuerst die einzelnen Komponenten getrennt untersucht. Es wurde die Spinaufspaltung in hohen Magnetfeldern in den InAs(2DES)-Heterostrukturen mit verschiedenen Methoden bestimmt. Der absolute Wert des g-Faktors lag übereinstimmend bei 6. Die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen Kontakte wurden mittels des magneto-optischen Kerr-Effektes (MOKE) untersucht. In den Ferromagnet-InAs(2DES)-Ferromagnet-Hybrid-strukturen traten eine Vielzahl von Magnetotransporteffekten auf. In Strukturen mit sub-µm 2DES-Kanallängen konnten Spin-Ventil-Effekte beobachtet werden. Die daraus ermittelte Spininjektionsrate lag bei 2 %.

Titel

Kurzfassung

Summary

Metal-semiconductor hybrid structures are of great interest in the field of fundamental research and for technological applications. In this thesis studies on microstructured metal-semiconductor hybrid structures are presented, which showed novel magnetotransport phenomena.

For the fabrication of the hybrid structures we developed a new technique within this work: the so-called cleaved-edge overgrowth (CEO). On a cleaved edge of an InAs heterostructure incorporating a two-dimensional electron system (2DES) a polycrystalline metal film was deposited. By this technique we achieved high-quality interfaces between the 2DES and the metal. For CEO we had to develop advanced preparation processes since conventional techniques have been designed for planar surfaces. Using CEO we realized hybrid structures with very low interface resistances, ferromagnet-InAs(2DES)-ferromagnet hybrid structures with a sub-µm 2DES channel and metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) on the cleaved edge.

On the one hand we have investigated Au-InAs(2DES) hybrid structures, which exhibited the so-called extraordinary magnetoresistance (EMR) effect. The EMR arises from a magnetic field dependent current redistribution between two materials with a large difference in the conductivities. The relative magnetoresistance effect R_B=1T - R_B=0 / R_B=0 at 4.2 K was as high as 115,000 %. Thus, EMR devices might be a promising candidate for magnetic-field sensors. We have studied the influence of the geometry, the intrinsic 2DES properties and the interface resistance on the EMR. Furthermore, noise measurements have been performed. The results were also encouraging for technical applications.

On the other hand we have investigated ferromagnet-InAs(2DES)-ferromagnet hybrid structures with respect to spin-transport phenomena. First we have studied the different components separately. In the as-grown InAs(2DES) heterostructures the spin splitting in high magnetic was investigated using different methods. Consistently, the absolute value of the g factor was about 6. The magnetic properties of the ferromagnetic contacts have been examined exploiting the magneto-optical-Kerr-effect (MOKE). The ferromagnet-InAs(2DES)-ferromagnet hybrid structures exhibited numerous magnetotransport phenomena. In hybrid structures with a sub-µm 2DES channel we observed photosensitive spin-valve effects. The deduced degree of spin polarization was 2 %.