Die elektronischen Bauteile, die aus unserer technischen Welt kaum wegzuddenken sind, werden immer kleiner. Aktuelle ICs bestehen zum Beispiel aus Milliarden von Transistoren, von denen jeder einzelne kleiner als 100nm (dem 100-stel des typischen Durchmessers eines Menschenhaars) ist. Dass die Entwicklung auch zukünftig weiter dem Trend des Mooreschen Gesetzes folgen wird, gilt hierbei als unbestritten.
Die interessanteste Fragestellung der Halbleiter- und Nanostrukturforschung in diesem Zusammenhang ist: Kann man die weitere Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik dadurch erreichen, dass man die Miniaturisierung der Transistoren in Mikroprozessoren und Speicherbauelementen weiter vorantreibt oder ist man auf gänzlich neue Wege angewiesen?
Bei der weitergehenden Miniaturisierung ist die größte Hürde darin zu suchen, ob man in der
Lage sein wird die Verbrauchsleistung dieser Bauelemente weiter zu reduzieren, um die Überhitzung der Bauteile in den Griff zu bekommen und nicht zuletzt auch, um Energie zu sparen.
Die heutige Elektronik hat ihre Grundlagen in den 60er Jahren. Diese Art der Elektronik ist jedoch hinsichtlich der Effizienzsteigerungen und vor allem der Wärmeentwicklung an ihre Grenzen gestoßen. Hauptursache für diese problematische Wärmeentwicklung sind die elektrischen Verbindungen, die die Informationen zwischen der halbleiterbasierten Datenverarbeitung und den metallischen Speicherelementen hin und hertransportieren. Obwohl diese elektrischen Verbindungen zum aktuellen Zeitpunkt aus der Computerarchitektur nicht weg zu denken sind, ist es eines der Hauptziele diese Verbindungen nicht mehr verwenden zu müssen. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn es gelingt, die Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) zu vereinen.
Bisher wurde die Ladung eines Elektrons für die Verarbeitung von elektrischen Informationen
bzw. Zuständen benutzt. Was wäre jedoch, wenn man diese bisherige Basis völlig ändert? Der
Spin der Elektronen ist ein viel effektiverer Informationsträger als die Ladung der Elektronen
selbst, nicht zuletzt deshalb, weil die Veränderung des Spins eines Elektrons im Vergleich zu
dessen Bewegung einen weitaus geringeren Energiebetrag benötigt [1]. Die Technik, die zusätzlich zur Informationsverarbeitung durch makroskopische Elektronenströme den viel effektiveren Spin-Quantenzustand der Elektronen oder Löcher als Freiheitsgrad nutzt, ist die sogenannte Spintronik1. Die Spinfreiheitsgrade eröffnen, wegen der längeren Phasenkohärenzlänge, im Vergleich zu den orbitalen Freiheitsgraden, völlig neue Wege für zukünftige Entwicklungen wie z.B. den Quantencomputer. Damit wäre die Entwicklung niederenergetischer Bauelemente möglich, die fast keine Wärmeentwicklung aufweisen. Wegen dieser vielen Vorteile hat sich die Spintronik in Rekordzeit von einer interessanten wissenschaftlichen Beobachtung in Rekordzeit zu einer marktbewegenden Anwendung weiterentwickelt (Nobelpreis 2007). Seinen Anfang nahm diese Entwicklung 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts. Nach nur 9 Jahren wurden 1997 erste Festplatten-Leseköpfe eingesetzt, die sich diesen Effekt zu Nutze machten. Leseköpfe, die den Riesenmagnetwiderstand nutzen, waren nunmehr um ein Vielfaches empfindlicher als es die konventionelle Technik zugelassen hätte. Die Speicherdichte und damit die Kapazitäten der Festplatten konnte somit erheblich gesteigert und Festplatten mit zuvor nie gekannter Speicherkapazität preiswert produziert werden. Seit dieser Zeit rückt der Elektronenspin immer weiter in den Brennpunkt von Forschung und Entwicklung.
Da sich der elektrische Widerstand von Halbleitern in einem weiten Bereich manipulieren lässt
(was für ferromagnetische Metalle nicht der Fall ist), werden logische Bauelemente aus halbleitenden Materialien hergestellt. Im Gegensatz dazu sind ferromagnetische Metalle sehr gute Kandidaten für die Speicherung von Informationen. Dies liegt vor allem daran, dass zufällige Magnetfelder viel schwächer sind, als zufällige elektrische Felder, was ferromagnetische Systeme wesentlich unanfälliger macht. Daher sind die magnetischen Speicher nicht flüchtig und zudem müssen deren Informationsgehalte nicht wie bei DRAM immer wieder aufgefrischt werden. Um die jeweiligen Vorteile der Materialklassen – die magnetisch energiesparende sowie dauerhafte Speicherfähigkeit der Metalle und die logischen Operationen der Halbleiter – miteinander kombinieren zu können und damit neuartige Bauelemente wie z.B. MRAMs (logische Operationen und dauerhafte Speicherung) zu bauen, sind ferromagnetischen Halbleiter unverzichtbar. Auf dieser Basis könnten Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) dargestellt werden. Zugleich braucht man aber auch neue Wege, um diese Speicher zu magnetisieren und später auslesen zu können. Ein weiterer Vorteil liegt zudem darin, dass hierzu kein Einsatz beweglicher Teile notwendig ist. Die Magnetisierungskontrolle muss aber temperaturunabhängig sein!
Der am besten erforschte ferromagnetische Halbleiter ist (Ga,Mn)As, der deswegen die Modellrolle einnimmt und als Prototyp für alle ferromagnetischen Halbleiter dient. Die Kopplung seiner magnetischen und halbleitenden Eigenschaften durch Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportphänomene in diesem Materialsystem. Diese Phänomene sind vielfach die Grundlage für neuartige Anwendungen, Bauteildesigns und Wirkprinzipien.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die interessanten Anisotropien in (Ga,Mn)As, die von der sehr starken Spin-Bahn-Kopplung im Valenzband herrühren zu nutzen, sowie neue spinbezogene Effekte in verschiedenen magnetischen Bauelementen zu realisieren.
Die vorliegende Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird auf die grundlegenden Eigenschaften des (Ga,Mn)As und einige neuartige Spineffekten, die dieses Material mit sich bringt, eingegangen. Das zur Erzeugung dieser Effekte notwendige fertigungstechnische Wissen, für die lithografische Erzeugung der spintronisch bzw. caloritronisch aktiven Nanostrukturen, wird im Kapitel 2 beschrieben.
Um mit dieser Welt der Spineffekte „kommunizieren“ und die Effekte kontrollieren zu können,
sind entsprechend angepasste und funktionsfähige Kontaktierungen notwendig. Mit der detaillierten Herstellung und Analyse dieser Kontakte beschäftigt sich das Kapitel 3. Es wurden
zwei Arten von Kontakten hergestellt und bei den Proben eingesetzt: in situ (innerhalb der
MBE-Wachstumskammer) und ex situ. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der ex situ-Probenpräparation, die Reproduzierbarkeit der Kontakte, besonders bei logisch magnetischen Elementen, nicht gewährleistet werden konnte. Bei funktionierender Kontaktierung war das magnetische Verhalten dann jedoch stets gleich. Bei den in situ-Kontakten war zwar einerseits das elektrische Verhalten reproduzierbar und sehr gut, aber das magnetische Verhalten war nicht zufriedenstellend, da die Relaxation nicht vollständig stattfand.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten die ex situ-Kontakte optimiert werden. Dabei wurde auf die
Problematiken bereits existierender Proben eingegangen und es wurden verschiedene Lösungsan sätze dafür gefunden. So konnte z.B. gezeigt werden, dass die Haftungsprobleme hauptsächlich auf dem unsaubere Oberflächen zurückzuführen sind. Jede Schicht, die zwischen aufgedampfter Metallschicht und dem dotierten Halbleiter bestehen bleibt, unabhängig davon, ob es sich dabei um eine oxidierte Schicht, Lackreste oder eine, zum Teil verarmte Schicht handelt, beeinträchtigt die Funktionalität der Kontakte. Je kleiner die Dimension der Kontakte, desto stärker wirkt sich die unsaubere Oberfläche aus. So konnte gezeigt werden, dass ab einer Größe von ca. 500nm_500nm die Zuverlässigkeit der Kontakte elementar von der Reinheit der Oberflächen und deren Homogenität beeinflusst wird. Zur Abwendung dieser Komplikationen werden verschiedene Lösungsansätze vorgeschlagen. Wird die Oberfläche mit hochenergetischen Ionen versetzt, verarmt deren Dotierung, was zu einer massiven Änderung der Leitfähigkeit führt. Daher wurden entweder völlig andere Prozessparameter zur Reinigung eingesetzt, die den dotierten HL nicht verarmen oder einer der nasschemischen Schritte wurde so angepasst, dass die extrem verarmte Schicht der HL-Oberfläche entfernt wurde.
Die einfachsten spintronischen Bauelemente (Streifen) und magnetischen Logikelemente sowie
deren Ergebnisse werden im Kapitel 4 diskutiert.
Hier wurde eindeutig gezeigt, dass die Streifen bei niedrigen Stromdichten nicht völlig uniaxial
sind, während bei erhöhten Stromdichten die Uniaxialität immer dominanter wird. Dies war
jedoch zu erwarten, da bei erhöhten Stromdichten die Temperatur auch ansteigt und da, bei
erhöhter Temperatur, die biaxiale Anisotropie mit M4, die uniaxiale aber jedoch nur mit M2
abfällt – die dominante Anisotropie wechselt folglich von biaxial zu uniaxial [2]. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen gelegt, um Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Halbleiter (Ga,Mn)As herzustellen. Auf Basis dieser Arbeit und den dabei gewonnenen litographischen Erkentnissen wurden, in nachfolgenden Arbeiten, solche Bauelemente realisiert [3].
Spin-Kaloritronik:
Wie schon Eingangs erwähnt, wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die Miniaturisierung der zukünftigen Elektronik weitergeführt werden kann. Bei stetiger Verkleinerung der Strukturen kommt es in heutigen Anwendungen zu immer größeren Problemen bei der Wärmeabfuhr. Die Folgen der Temperaturdifferenzen innerhalb der Strukturen führen dabei zu sog. Hotspots oder sogar Materialschäden. Temperaturunterschiede müssen aber nicht nur negative Auswirkungen
haben. So wurde an einem ferromagnetischen System aus Nickel, Eisen und Platin der sogenannte Spin-Seebeck-Effekt gemessen, bei dem die Elektronen in den Regionen verschiedener Temperatur unterschiedliche Spinpolarisationen zeigen [4].
Eine Batterie, die diesen spinpolarisierten Strom nutzt, könnte einen entscheidenden Fortschritt
in der Spintronik bedeuten. Dieser Bereich der Forschung an thermoelektrischen Effekten, bei
denen ferromagnetische Materialien involviert sind, wird auch „spin-caloritronics“ genannt [5].
Die Kapitel 5 und 6 beschäftigen sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile. whärend das Kapitel 5 sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile, für die von uns
als Bezeichnung TAMT („tunnel anisotropic magneto thermopower“) eingeführt wurde, beschäftigt, wird in Kapitel 6 an einem veränderten Probenlayout der Nernst-Effekt nachgewiesen.
Die Geometrie wurde in beiden fällen so gewählt und hergestellt, dass durch die Anisotropien
des (Ga,Mn)As die beiden thermoelektrische Effekte (Seebeck- und Nernst-Effekt) auf einen
n+-p+-Übergang übertragen werden konnten. Durch einen Strom, in einem mit Silizium hoch
dotierten GaAs-Heizkanal, kann jeweils ein vertikaler Temperaturgradient erzeugt werden. Die
hierbei entstehenden Thermospannungen wurden durch eine vollständige elektrische Charaktri sierungsmessung mit Hilfe präziser Lock-in-Verstärker-Technik detektiert.
Das Kapitel 5 beschäftigt sich mit allen Bereichen, von der Idee bis hin zu Messungen und Analysen des Seebeck-Effektes an einem n-p-Übergang (TAMT). Außerdem ist ein sehr einfaches numerisches Modell dargestellt, dass den gefundenen Effekt theoretisch beschreibt.
Durch die bekannten thermoelektrischen Effekte ergibt sich ein Temperaturgradient der immer
zu einer Thermospannung und somit zu einem Thermostrom entlang des Gradienten führt. Für
zukünftige Entwicklungen ist es demnach wichtig, diese Effekte zu beachten und diese bei elektrischen Messungen an Nanostrukturen als mögliche, zusätzliche Ursache eines Messsignals in Betracht zu ziehen.
In den vorliegenden Proben ist der Seebeck-Effekt stark anisotrop, mit einem größeren Thermospannungswert für Magnetisierungen entlang der magnetisch harten Achsen des (Ga,Mn)As.
Es wurde ein einfaches Model entwickelt, welches das Tunneln von Elektronen zwischen zwei
unterschiedlich warmen Bereichen erklärt. Die Abhängigkeit des Effekts von der Temperatur des Heizkanals wurde anhand dieses Models sowohl qualitativ als auch größenordnungsmäßig korrekt beschrieben.
Die Nernst-Proben wurden von der Theorie bis zur Herstellung so entwickelt, dass in derselben
Anordnung eine im (Ga,Mn)As senkrecht zum Temperaturgradienten gerichtete Spannung
zusätzlich gemessen werden konnte. Diese wurde durch den Nernst-Effekt erklärt. Besonders interessant war, dass die Größe der Nernst-Spannung hierbei mit der Magnetisierung im (Ga,Mn)As verknüpft ist und somit ein aus der typischen Magnetisierungsumkehr hervorgehendes Verhalten zeigt.
Gegenüber den Magnetowiderstandseffekten entsteht beim Nernst-Effekt in sogenannten Fingerprints (vgl. Kapitel 1.3.3) ein dreistufiges Farbmuster anstelle eines zweistufigen hoch-tief-Systems. Die entstehende Temperatur im Heizkanal wird jeweils durch eine longitudinale Widerstandsmessung in einem senkrecht zum Kanal gerichteten äußeren Magnetfeld bestimmt. Die Magnetfeldabhängigkeit des Widerstands kommt hierbei durch den Effekt der schwachen Lokalisierung in dünnen Filmen zustande.
Zusammenfassend stellen die Magneto-Thermoelektrizitätseffekte eine wichtige weitere Transporteigenschaft in ferromagnetischen Halbleitern dar, die mit der Magnetisierung direkt zusammenhängen.
In dieser Arbeit wurden Thermospannungen an (Ga,Mn)As-Schichten mit vergleichsweise hoher
Mangankonzentration untersucht. Allerdings sind die Thermoelektrizitätseigenschaften zusammen mit Magneto-Widerstandsmessungen in Zukunft in der Lage, zusätzliche Informationen über die Bandstruktur sowie die Ladungsträgereigenschaften in Materialsystemen mit niedrigerem Mangangehalt, insbesondere in der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs, zu liefern.
Inhalt des Anhangs ist eine ausführliche Anleitung zur Optimierung der Probenherstellung bzw.
der verschiedenen Bauelemente. / It is impossible to imagine our world without electronic devices which are getting smaller. The current ICs are, for example, from more than a billion transistors, each one smaller than 100 nm. It is undisputed that this trend following Moore’s law will continue. The interesting question in semiconductor- and nanostructure technology is: Is miniaturization of transistors with the current base achievable or is a new way needed?
With the continued miniaturization, the biggest challenge is to reduce the current used in These components in order to control the overheating in chips and to save energy. Today’s electronics have their origins in the 1960s. They, however, have reached their limitations with respect to efficiency and heat development. A main reason for problematic heat development are the electrical connections which transfer the information between semiconductor-based data processing und the metallic storage elements.
For a long time the charge of an electron was used for the processing of electrical Information and states. What would happen if we changed this approach? The spin of an electron is a much more effective information carrier than the electron’s charge. This is due to the fact that the change of the spin of an electron needs much less energy than its movement (...)
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:10324 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Tavakoli, Kia |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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