Structural, magnetic and electrical transport properties of GaN-based magnetic semiconductors and hybrid structures

Abstract

Halbleiter, Materialien in welchen der Ladungstransport gesteuert werden kann, sind heutzutage unersetzbare Einheiten im Bereich der Informationstechnologie. Die elementare Module für die Informationsverarbeitung sind die Feld-Effekt-Transistoren (FETs), halbleiter-basierte Schaltbauteile wo die Ladung durch ein externes Feld gesteuert wird. Andererseits, die Informationsspeicherung ist ohne den Gebrauch des Elektronenspins nicht möglich. Zwar ist das Konzept des "magnetischen Speicherns" schon lange bekannt, aber die Entdeckung des Magnetowiderstands-Effekt war ein Meilenstein, der zeigte, daß der elektronische Transport durch den Spin-Zustand der Elektronen gesteuert werden kann. Das war der Anfang eines neuen Forschungsbereichs der Festkörperphysik, wo Spin und Ladung der Elektronen kombiniert werden können, genannt Spintronik. Falls die Integration der Spin-Funktionalität in Halbleiterstrukturen auf eine reproduzierbare Weise erzielt wird, die Vorteile der "magnetischen Welt", wie Programmierbarkeit oder Nicht-Flüchtigkeit, könnten der etablierten Halbleitertechnologie hinzugefügt werden. Die Erzeugung von magnetischen Halbleiter, die bei Raumtemperatur magnetische Eigenschaften zeigen, kombiniert mit Halbleiterkanäle mit einer langen Spinkohärenzlänge, erweist sich als die optimale Lösung, um hochleistungsfähige halbleiterbasierte Spintronik-Bauteile zu erzielen. In dieser Hinsicht, befaßt sich diese Arbeit mit der Dotierung von Mn and Gd-Atome in dem Halbleiter GaN, um einen magnetischen Halbleiter zu erzeugen. Die Untersuchung wird an dünnen Schichten durchgeführt, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt worden sind. Es wurde bereits bei diesen verdünnten magnetischen Halbleiter (DMS) von ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur berichtet. Während bei GaMnN die zahlreiche Berichte zerstreuute und sogar widersprüchliche Ergebnisse liefern, scheint bei GaGdN nicht der Fall zu sein. Die experimentelle Studien um GaGdN sind zwar mit der Entstehung von ferromagnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur im Einklang, aber die Ursache dieses Effekts ist noch nicht klar. Es wurden sogar "kolossale magnetische Momente" per Gd-Atom bei sehr niedrigen Gd-Konzentrationen gemessen, wodurch das Szenario noch mehr kontovers wurde. Diese Arbeit hat deren Schwerpunkt in der elektrischen Charakterisierung der GaMnN and GaGdN Schichten, die wichtige Informationen über den tatsächlichen Kopplungsmechanismus der Dotieratome liefern kann, und somit die umstrittene Lage dieser magnetischen Halbleitern zu klären versucht. Als Alternative zu verdünnten magnetischen Halbleiter, die Eigenschaften von metallischen MnGa Schichten, gewachsen auf GaN, wurden in Hinblick auf Spin-Injektion aus einer metallischen Elektrode auf dem Halbleiter GaN, untersucht. Kapitel 1 beschreibt zuerst die Bildung von intrinsischen Defekten in unabsichtlich dotierten GaN, und wie das Szenario mit dem Einbau von Mn and Gd als extrinsische Dotierung sich verändert. Darüber hinaus wird in dem Kapitel die Theorie des elektronischen Transports in leicht dotierten Halbleiter vorgestellt, welche als Leitfaden für die Interpretation der experimentelle Transport-Ergebnissen dienen soll. Die Probenpräparation, sowie wichtige Gesichtspunkte um die Substratwahl für elektrische Messungen, sind im Kapitel 2 beschrieben. Kapitel 3 befaßt sich intensiv mit der experimentelle Ergebnisse der strukturellen, magnetischen and elektrischen Charakterisierung der GaMnN und GaGdN verdünnten magnetischen Halbleiter und MnGa/GaN Metall-Halbleiter Hybrid-Strukturen, und deren Interpretation. Im letzten Abschnitt werden die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst, und die Aussichten und Perspektiven der studierten Materialsysteme diskutiert.