2-Punkt Transportmessungen, die in der Vergangenheit an ZnSe-basierenden DMS/NMS/DMS Multischichtsystemem durchgeführt wurden, zeigten eine 25-prozentige Erhöhung des Widerstandes beim Übergang vom unpolarisierten in den polarisierten Zustand des DMS. Dieser Magnetowiderstandseffekt wurde durch elektrische Spininjektion in den NMS erklärt. In dieser Arbeit wird zunächst anhand von 4-Punkt Transportmessungen an miniaturisierten, elektronenstrahllithographisch gefertigten DMS/NMS/DMS Strukturen dieser Widerstandseffekt näher untersucht, um eine Bestimmung der Spinrelaxationslänge im nichtmagnetischen II-VI Halbleiter zu erlauben. Aufgrund der im Rahmen dieser Experimente erhaltenen Ergebnisse muss jedoch die Verknüpfung des positiven Magnetowiderstandseffekts mit der elektrischen Spininjektion in den NMS des Multischichtsystems revidiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Strukturen mit Abmessungen in der Größenordnung von 1 µm hergestellt und gemessen, mit deren Hilfe ein eindeutiger Nachweis der elektrischen Spininjektion in einen nichtmagnetischen Halbleiter mittels Transportmessungen ermöglicht wird. Mit diesen Resultaten kann eine oberer Grenzwert für die Spinfliplänge in ZnBeSe von 100 nm abgeschätzt werden. / 2-probe transport measurements that were performed in the past on ZnSe-based DMS/NMS/DMS multilayer-systems showed a 25% increase of the resistance during the transition of the DMS from its unpolarized to its polarized state. This magnetoresistance effect was described by spin injection into the NMS. In this work, this resistance effect is further investigated by 4-probe transport measurements on miniaturized DMS/NMS/DMS structures that were fabricated by electron beam lithography to allow the determination of the spin-relaxation length in the non-magnetic II-VI semiconductor. On the basis of the results that were obtained in the framework of these experiments the connection of the positive magnetoresistance effect with spin injection into the NMS of the multilayer-system has to be revised. In the further course of this work structures with dimensions of the order of 1 µm are fabricated und measured that allow the unambiguous detection of electrical spin injection into a non-magnetic semiconductor by transport measurements. With these results an upper limit of the spin-flip length in ZnBeSe of 100 nm can be estimated.

Im Rahmen dieser Arbeit sollten Halbleiterheterostrukturen mit semimagnetischen II-VI-Halbleitern hergestellt werden, mit denen Experimente zum Nachweis und der Erforschung der Spininjektion in Halbleiter durchgeführt werden. Hierzu sollten optische und Transportexperimente dienen. Zur Polarisation der Elektronenspins werden semimagnetische II-VI-Halbleiter verwendet, bei denen in einem von außen angelegten magnetischen Feld bei tiefen Temperaturen durch den riesigen Zeemaneffekt die Spinentartung der Energiebänder aufgehoben ist. Da diese Aufspaltung sehr viel größer als die thermische Energie der Ladungsträger ist, sind diese nahezu vollständig spinpolarisiert. Für die vorgestellten Experimente wurden (Be,Zn,Mn)Se und (Cd,Mn)Se als Injektormaterialien verwendet. Durch die Verwendung von (Be,Zn,Mn)Se als Injektor konnte die Spinjektion in eine GaAs-Leuchtdiode nachgewiesen werden. Hierzu wurde der Grad der zirkularen Polarisation des von der Leuchtdiode emittierten Lichts gemessen, welches ein direktes Maß für die Spinpolarisation der injizierten Elektronen ist. Durch diverse Referenzmessungen konnte die Polarisation des Lichts eindeutig der Spininjektion in die Leuchtdiode zugeordnet werden. So konnten eventuell denkbare andere Ursachen, wie ein zirkularer Dichroismus des Injektormaterials oder die Geometrie des Experiments ausgeschlossen werden. Um die physikalischen Prozesse in der Spin-LED näher zu untersuchen, wurde eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt. So wurde unter anderem die Abhängigkeit der Effizienz der Spininjektion von der Dicke der semimagnetischen (Be,Zn,Mn)Se-Schicht erforscht. Hieraus wurde eine magnetfeldabhängige Spin-Flip-Länge im semimagnetischen Halbleiter ermittelt, die kleiner als 20 nm ist. Im Zuge dieser Experimente wurde auch die magnetooptischen Eigenschaften dieser hochdotierten (Be,Zn,Mn)Se-Schichten untersucht. Die große Zeemanaufspaltung bleibt zwar erhalten, wird allerdings insbesondere unter Stromfluß durch eine isolierte Aufheizung der Manganionen in der Schicht reduziert. Die Spin-LEDs wurden auf eine eventuelle Eignung zur Detektion der Spininjektion in Seitenemission, wie es für Experimente mit anderen spinpolarisierenden Materialien nötig ist, getestet. Obwohl die Effizienz der Spininjektion in diesen LEDs nachweislich sehr hoch ist, konnte in Seitenemission keine Polarisation des emittierten Lichts nachgewiesen werden. In dieser Konfiguration sind (Al,Ga)As-LEDs als Detektor also nicht zu verwenden. Der Nachweis der Injektion spinpolarisierter Elektronen in einen Halbleiter sollte auch in Transportexperimenten erfolgen. Hierfür wurden (Be,Zn,Mn)Se/(Be,Zn)Se-Heterostrukturen hergestellt, die wie erwartet einen deutlichen positiven Magnetowiderstand zeigen, der nicht auf die verwendeten Materialien oder die Geometrie der Proben zurückzuführen ist. Der beobachtete Effekt scheint durch ein Zusammenspiel des semimagnetischen Halbleiters mit dem Metall-Halbleiter-Kontakt aufzutreten. Aus diesen Experimenten konnte eine Abschätzung der Spin-Flip-Länge in hochdotierten ZnSe-Schichten getroffen werden. Sie liegt zwischen 10 und 100 nm. Weiterhin sollten Spininjektionsexperimente an InAs durchgeführt werden. Zur Polarisation der Elektronenspins in diesen Experimenten sollte als semimagnetischer Halbleiter (Cd,Mn)Se verwendet werden, da es gitterangepasst zu InAs gewachsen werden kann. Anders als bei (Be,Zn,Mn)Se konnte jedoch auf nahezu keine Erfahrungen auf dem Gebiet der (Cd,Mn)Se-Epitaxie zurückgegriffen werden. Durch die Verwendung eines ZnTe-Puffers ist es gelungen (Cd,Mn)Se-Schichten auf InAs in sehr hoher struktureller Qualität herzustellen. Die Untersuchung der magnetooptischen Eigenschaften dieser Schichten bestätigte die Eignung von (Cd,Mn)Se als Injektor für die geplanten Spininjektionsexperimente. Für die elektrische Charakterisierung ist es nötig, (Cd,Mn)Se auf einem elektrisch isolierenden GaAs-Substrat mit einer (Al,Ga)Sb-Pufferschicht zu epitaxieren. Das monokristalline Wachstum von (Cd,Mn)Se-Schichten hierauf wurde nur durch die Verwendung eines ZnTe-Puffers möglich, der bei sehr niedrigen Substrattemperaturen im ALE-Modus gewachsen wird. Insbesondere die Dotierbarkeit der (Cd,Mn)Se-Schichten ist für die Spininjektionsexperimente wichtig. Es zeigte sich, dass sich die maximal erreichbare n-Dotierung mit Iod durch den Einbau von Mangan drastisch reduziert. Trotzdem ist es gelungen, (Cd,Mn)Se -Schichten herzustellen, die einen negativen Magnetowiderstand zeigen, was eine Voraussetzung für Spininjektionsexperimente ist. Für Transportexperimente sollen die spinpolarisierten Elektronen direkt in ein zweidimensionales Elektronengas injiziert werden. Hierfür wurden Heterostrukturen mit einem InAs-Quantentrog, in dem sich ein solches 2DEG ausbildet, hergestellt und in Hall-Messungen charakterisiert. Für die Realisierung dieser Experimente wurde ein Konzept erstellt und erste Versuche zu dessen Umsetzung durchgeführt. Ein zu lösendes Problem bleibt hierbei die Diffusion auf der freigelegten InAs-Oberfläche bei den für das (Cd,Mn)Se-Wachstum nötigen Substrattemperaturen. Leuchtdioden mit einem InAs-Quantentrog wurden für den Nachweis der Spininjektion in InAs auf optischem Wege hergestellt. Für die Realisierung einer solchen Leuchtdiode war es nötig, auf ein asymmetrisches Designs mit einer n-Barriere aus (Cd,Mn)Se und einer p-Barriere aus (Al,Ga)(Sb,As) zurückzugreifen. Es wurden sowohl magnetische als auch unmagnetische Referenzproben hergestellt und vermessen. Die Ergebnisse deuten auf einen experimentellen Nachweis der Spininjektion hin. / The goal of this thesis was the fabrication of semiconductor heterostructures utilizing II-VI diluted magnetic semiconductors for optical and electrical spin injection experiments into semiconductors. To polarize the electron spins, II-VI diluted magnetic semiconductors were used, where, at low temperatures in an external magnetic field, the spin degeneracy of the energy bands is lifted by the Giant Zeeman Effect. The energy splitting is larger than the thermal energy of the carriers, leading to a nearly completely spin polarized electron population. For the discussed experiments, (Be,Zn,Mn)Se and (Cd,Mn)Se were used as spin aligner material. Spin injection into a GaAs-LED was demonstrated by using a (Be,Zn,Mn)Se injector. For this, the degree of circular polarization of the light emitted by the LED was measured, as a direct measure of the degree of polarization of the injected electrons. A huge effort was made to clearly prove that the origin of this optical polarization is indeed the injection of spin polarized electrons into the LED. By these experiments other spurious origins like a possible circular dichroism of the spin aligner or the geometry of the experiment could be excluded. A multitude of experiments was performed to investigate the physical processes playing a role in the Spin-LED. Inter alia the dependence of the efficiency of the spin injection on the thickness of the (Be,Zn,Mn)Se injector layer was examined and a magnetic field dependent spin flip length in the DMS was found which is smaller than 20 nm. During these experiments the magneto-optical properties of the doped (Be,Zn,Mn)Se layers were investigated. Although the Giant Zeeman Splitting is preserved it is reduced by a heating of the manganese ions especially when an electrical current is flowing. The usability of the Spin-LEDs for detection of spin injection in side emission, as it will be necessary for spin injection experiments with different spin aligners, was tested. Despite the evidenced highly efficient spin injection in these (Al,Ga)As Spin-LEDs, no optical polarization could be detected in side emission making them unemployable in this configuration. The evidence of the injection of spin polarized electrons into a semiconductor was also to be provided by electrical transport experiments. To do so (Be,Zn,Mn)Se/(Be,Zn)Se heterostructures were fabricated which show an expected increase of the resistance with increasing magnetic field, which is not associated with the used materials themselves, nor with the sample geometry. The observed effect seems to be due to the interplay between the diluted magnetic semiconductor and the semiconductor-metal-contact. These experiments lead to an estimate for the spin flip length in highly doped ZnSe between 10 and 100 nm. Furthermore, spin injection experiments into InAs were to be done. For this (Cd,Mn)Se was used as aligner of the electron spins because it can be grown lattice matched to InAs. Unlike to (Be,Zn,Mn)Se, there were nearly no previous experiences on the epitaxial growth of (Cd,Mn)Se. The growth of layers with very high structural quality was made possible by the introduction of a thin ZnTe buffer layer. Magnetooptical investigations showed the usability of this material as an injector material for the planned spin injection experiments. For further experiments it is necessary to grow (Cd,Mn)Se on an electrical insulating GaAs substrate with an (Al,Ga)Sb buffer layer. The monocrystalline growth of (Cd,Mn)Se could only be obtained by using a ZnTe buffer grown at very low substrate temperatures in an ALE mode. The dopability of the (Cd,Mn)Se layers is very important for the spin injection experiments. The maximum value of achievable n-type doping with iodine is drastically reduced by the incorporation of manganese. Nevertheless, we succeeded in fabricating highly doped (Cd,Mn)Se layers with negative magnetoresistance, a requirement for their use in spin injection experiments. To perform transport experiments the spin polarized electrons shall be injected directly into a two-dimensional electron gas. For this purpose heterostructures with an InAs quantum well containing such a 2DEG were produced and characterized by Hall measurements. A concept for the realization of these experiments was introduced and first steps for its implementation were made. The diffusion on the free InAs surface at the high substrate temperatures necessary for the (Cd,Mn)Se growth remains a problem to be solved. LEDs with an InAs quantum well were fabricated for the optical detection of spin injection into InAs. In order to realize such an LED, the use of an asymmetric design with an (Al,Ga)(Sb,As) p-type and a (Cd,Mn)Se n-type barrier was essential. Both magnetic and non-magnetic LEDs were grown and characterized. First results indicate evidence of spin injection in these LEDs.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2005

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005

Zugl.: Hannover, University, Diss.

Techn. Universiẗat, Diss.--Dresden, 2005.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Bielefeld, Universiẗat, Diss., 2002.

Techn. Hochsch., Diss., 2001--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2003--Freiburg (Breisgau).