Im Gebiet der Spin-Elektronik wird der Spin des Elektrons zusätzlich zu seiner Ladung für Bauelementkonzepte ausgenutzt. Hierbei ist die effiziente elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in einem halbleitenden Material von großer Bedeutung. Die Erzeugung der Spinakkumulation kann mithilfe eines ferromagnetischen Metall-Kontaktes erfolgen. Wird eine elektrische Spannung an die Grenzfläche zwischen dem ferromagnetischen Metall und dem Halbleiter so angelegt, dass spinpolarisierte Elektronen vom Metall in den Halbleiter fließen, spricht man von elektrischer Spininjektion. Bei einer Umkehrung der Spannung werden bevorzugt Elektronen der entgegengesetzten Spinorientierung aus dem halbleitenden Material entfernt. Dieser Prozess wird als Spinextraktion bezeichnet. In dieser Arbeit wird die elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in lateral strukturierten, epitaktischen Hybridstrukturen bestehend aus ferromagnetischen Metallkontakten auf n-dotiertem GaAs untersucht. Allgemein ist neben der Spinpolarisation im Ferromagneten auch die spinunabhängige elektrische Charakteristik eines Kontaktes von zentraler Bedeutung für die effiziente Spinerzeugung. Hier wird gezeigt, dass die gewöhnlichen Strom-Spannungs-Kennlinien die Spininjektionseigenschaften dominieren können. Außerdem wird ein neuartiges Bauelementkonzept vorgestellt und experimentell untersucht. Hierbei handelt es sich um ein lokales Spin-Ventil, welches Spinextraktion statt Spininjektion als Spinerzeugungsprozess verwendet. Im Gegensatz zum gewöhnlichen lokalen Spin-Ventil kann ein solches Extraktions-Spin-Ventil als Baustein eines erweiterten Bauelements angesehen werden, welches auf mehreren, aufeinanderfolgenden Extraktionsprozessen beruht. Die Eigenschaften des Extraktions-Spin-Ventils werden diskutiert und es wird gezeigt, wie seine Funktionalität beispielsweise für das Auslesen der Daten in magnetischen Speichern angewendet werden kann. / The efficient electrical generation of a spin accumulation inside a semiconductor (SC) utilizing the interface with a ferromagnetic metal (FM) is essential for the realization of many spintronic device concepts, in which the spin of the electron is exploited in addition to its charge for computational and memory purposes. At FM/n-type SC hybrid contacts, the application of a reverse bias leads to the injection of spin-polarized electrons into the SC. Alternatively, an applied forward bias can be used to generate a spin accumulation of opposite sign due to the extraction of electrons with a particular spin orientation. In this work, the electrical generation and detection of a spin accumulation is studied using epitaxial and laterally structured ferromagnetic metal/n-type GaAs hybrid systems in various measurement geometries. To achieve a high spin generation efficiency, the spinindependent electrical properties of the contact have to be considered in addition to the choice of the injector material with respect to its degree of spin polarization. Here, it is shown that the current-voltage characteristics can even constitute the dominating design parameter with respect to the spin injection properties. In addition, a novel device concept is presented and studied experimentally. This approach essentially relies on spin extraction as the spin generation process in a local spin valve geometry. In contrast to local spin valves based on spin injection, the presented extraction spin valve can be regarded as a building block of an extended device comprising multiple extraction events along the lateral spin transport channel. It is shown how such multiple extraction spin valves allow for an intriguing functionality, which can be used, for example, for the read-out of data in magnetic memory applications.

Die Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger in einem Halbleiter gilt als Grundvoraussetzung zur Realisierung spintronischer Bauelemente. Einen möglichen Ansatz zu deren Realisierung stellen Ferromagnet/Halbleiter(FM/HL)-Hybridstrukturen dar, deren Herstellung jedoch mit einigen Schwierigkeiten verbunden ist. Durch die Vermischung des ferromagnetischen Materials mit dem Halbleiter werden die elektronischen Eigenschaften der Hybridstruktur verändert und die Spininjektionseffizienz stark verringert. Durch das gezielte Einfügen einer dünnen Oxidschicht in den FM/HL-Grenzübergang kann die Diffusion unterdrückt, die Kristallqualität verbessert und die Effizienz der Struktur erhöht werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung dünner Oxidschichten, hergestellt mittels Molekularstrahlepitaxie. Zwei Seltenerdoxide, La2O3 und Lu2O3, werden auf GaAs-Substraten gewachsen und die Kristallqualität der Schichten miteinander verglichen. Mit der Heusler-Legierung Co2FeSi als Injektorschicht wird eine FM/Oxid/HL-Hybridstruktur auf Basis einer La2O3/GaAs(111)B-Struktur realisiert und magnetisch und elektrisch charakterisiert. Ein häufig verwendetes Barrierenmaterial in FM/HL-Hybridstrukturen ist Magnesiumoxid (MgO). In dieser Arbeit werden dünne MgO-Schichten auf GaAs(001) an der PHARAO-Wachstumsanlage am BESSY II erzeugt. Dies geschieht durch getrenntes Verdampfen von metallischem Mg bzw. Einleiten von molekularem Sauerstoff in die Wachstumskammer. Um die Oxidation des Halbleitersubstrats zu verhindern, wird vor dem MgO-Wachstum eine dünne Mg-Schicht abgeschieden. Abhängig von der Dicke dieser Schicht sind zwei in-plane-Orientierungen des MgO relativ zum GaAs kontrolliert einstellbar. Darüber hinaus werden Hybridstrukturen mit Eisen Fe als Injektorschicht und schrittweise erhöhter MgO-Schichtdicke gewachsen. Die Eindiffusion von Fe in das GaAs-Substrat nimmt mit zunehmender MgO-Schichtdicke um mehrere Größenordnungen ab. / The generation of spin-polarized charge carriers in a semiconductor is a basic building block for the implemention of spintronic devices. A feasible approach to their implementation are ferromagnet/semiconductur(FM/SC) hybrid structures, whose fabrication is associated with some issues. The intermixing of the ferromagnetic material with the semiconductor leads to distortion of the electrical properties of the hybrid structure and the spin injection efficiency is reduced. By intentionally inserting a thin oxide layer into the FM/SC interface diffusion can be suppressed while the crystal quality and the spin injection efficiency of the structure are both increased. In this thesis the growth and characterization of thin oxide films fabricated by molecular beam epitaxy are discussed. Two rare earth oxides, La2O3 and Lu2O3, are grown on GaAs substrates and their crystal qualities are compared. Based on La2O3/GaAs(111)B full FM/SC hybrid structures are grown with the Heusler alloy Co2FeSi as injection layer and characterized by magnetic and electrical means. Another material used as a barrier in FM/SC hybrid structures is magnesium oxide (MgO). Here, thin MgO layers are grown on GaAs(001) at the PHARAO system at BESSY II. The growth is conducted by the separated evaporation of metallic Mg and introducing molecular oxygen into the growth chamber. To avoid oxidation of the semiconducting substrate a thin Mg layer is deposited prior to the MgO growth. Depending on the Mg layer thickness two different MgO in-plane orientations can be achieved with respect to the GaAs substrate. Furthermore, FM/SC hybrid structures with iron Fe as injection layer are grown while the MgO layer thickness is increased gradually. The indiffusion of Fe into the GaAs substrate is suppressed by several orders of magnitude with increasing MgO layer thickness.

Das Co2FeSi/GaAs-Hybridsystem wurde hinsichtlich seiner Eignung für Anwendungen in der Spintronik untersucht. Die Heusler-Legierung Co2FeSi ist ein aussichtsreicher Kandidat für derartige Anwendungen, weil der vollständig geordneten Kristallphase Halbmetallizität, d. h. eine Spinpolarisation von 100% an der Fermi-Energie, vorhergesagt wird. Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die elektrische Spininjektion und Spindetektion in lateralen Transportstrukturen in der sogenannten nicht-lokalen Konfiguration sowohl für die vollständig geordnete, als auch für eine teilweise ungeordnete Kristallphase mittels Spinventil- und Hanle-Messungen nachgewiesen. Die Abhängigkeiten der Spinsignale vom Strom und von der Temperatur konnten erklärt werden und eine Spininjektionsefizienz von 16 bzw. 9% wurde ermittelt. Für den praktischen Einsatz werden allerdings lokale Spinventile benötigt, deren Funktionsfähigkeit für beide kristallinen Ordnungen demonstriert wurde. Der Magnetowiderstand, der ein Maß für die Güte der lokalen Spinventile darstellt, beträgt 0.03% und liegt im Bereich des theoretisch zu erwartenden Wertes. Anhand des sogenannten Fert-Kriteriums konnten die Gründe für diesen niedrigen Wert aufgezeigt werden. Des Weiteren ließ ein Vergleich der lokalen und nicht-lokalen Spinsignale auf eine hohe Spinpolarisation des Co2FeSi schließen. Die Spinextraktion bietet neben der Spininjektion eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Spinakkumulation in einem Halbleiter. Die Stromabhängigkeiten von Spininjektion und Spinextraktion unterscheiden sich für beide kristallinen Phasen des Co2FeSi. Das stark unterschiedliche Verhalten konnte anhand des Einflusses der jeweiligen Bandstruktur auf die Spinerzeugung erklärt werden. Des Weiteren konnte aus dem Vergleich zwischen der Messungen und der theoretisch vorhergesagten Bandstruktur der halbmetallische Charakter der vollständig geordneten Kristallphase nachgewiesen werden. / The Co2FeSi/GaAs hybrid system was investigated regarding its suitability for spintronic applications. The Heusler-compound Co2FeSi is a promissing canditate for these kind of applications due to the predicted half-metallicity, i. e. a 100% spin polarisation at the Fermi energy, for its fully ordered crystall phase. The electrical spin injection and detection was demonstrated in lateral tranpost structures in the so called non-local geometry for the fully ordered and for a partly disordered crystall phase by observing spin valve signatures and Hanle characteristics. The current and temperature dependence of the spin signals was explained and a respective spin injection efficiencies of 16 and 9% determined. For practical use one needs local spin valves, which where demonstrated for both crystalline phases. The magnetoresistance, a measure of the goodness of a local spin valve, was 0.03%, i. e. in the theoretically expected range. Making use of the so-called Fert criterion the reasons for this low value could be pointed out. Further the quotient of the local and non-local spin signals implied a high spin polarisation of the Co2FeSi. Spin extraction is another method to create a spin accumulation in a semiconductor. The current dependece of the spin injection and the spin extraction signals strongly depends on the degree of ordering in the Co2FeSi lattice. The different behavior is explanied by the crucial influence of the respective electronic band structure on the spin generation processes. Further, the comparison between the measured signals and the theoretically calculated electronic band structure hints towards the half-metalicity of the fully ordered crystall phase of Co2FeSi.