Auf GeMnTe basierende ferromagnetische Halbleiterstrukturen

Magnetische Halbleiter sind von großem Interesse für die Realisierung neuartiger Halbleiter-Bauelemente, die sowohl den Spin als auch die Ladung der Elektronen zur Informationsverarbeitung nutzen. Für zukünftige praktische Anwendungen dieser Spin-Elektronik, oder Spintronik, benötigt man magnetische Halbleiter mit hoher Curie-Temperatur TC, die in heteroepitaktische Multischichtsysteme integriert werden können. Die Hauptzielsetzung dieses Projektantrages ist daher die Herstellung und Charakterisierung von ferromagnetischen Halbleiterhetero- und Halbleiternanostrukturen basierend auf epitaktisch gewachsenem Ge1-x Mn x Te. Im Gegensatz zu Mangan Mn basierten III-V Halbleitern können in diesem Materialsystem die Ladungsträgerdichte und die Konzentration der magnetischen Ionen unabhängig voneinander eingestellt werden. Zudem ist diese ternäre Verbindung über einen großen Mn-Konzentrationsbereich thermisch stabil. Dies sollte es ermöglichen ferromagnetische Heterostrukturen mit TC -Werten über 200 K herzustellen, da damit Probleme mit magnetischen GeMn Ausscheidungen vermieden werden können. Das geplante Forschungsprogramm wird sowohl Wachstumsstudien von Ge1-x Mn x Te Heterostrukturen beinhalten, als auch Untersuchungen ihrer strukturellen, magnetischen, optischen sowie elektronischen Eigenschaften mit Hilfe von SQUID-Magnetometrie, AFM- und TEM-Messungen, Synchrotronröntgenstreuung, sowie optischer Spektroskopie und Transportmessungen umfassen. In diesem Projekt soll die Mn-Konzentration, die Ladungsträgerdichte sowie die Kristallqualität der Ge1-x Mn x Te- Schichten optimiert werden, um die höchst möglichen TC-Werte zu erreichen. Danach werden ferromagnetische 2D Ge1-x Mn x Te Quantentöpfe in IV-VI Heterostrukturen hergestellt, und der Einfluß der Verspannung in diesen 2D Schichten auf die magnetischen Eigenschaften bestimmt. Zudem werden wir die Kopplungseffekte zwischen den ferromagnetischen Schichten untersuchen. Der Gitterkonstantenunterschied zwischen Ge1-x Mn x Te und unterschiedlichen IV-VI Halbleitern, wie PbSe oder PbTe, ermöglicht auch das Stranski-Krastanow-Wachstum von selbstorganisierten ferromagnetischen Halbleiter-Quantenpunkten. Unter definierten Wachstumsbedingungen läßt sich die Größe der Quantenpunkte im Bereich von einigen Nanometern einstellen. Das wird es erlauben, den Einfluß reduzierter Dimensionalität auf den Magnetismus im Quantenpunkt, sowie mögliche magnetische Kopplung zwischen den Quantenpunkten zu untersuchen.

Magnetische Halbleiter sind von großem Interesse für die Realisierung neuartiger Halbleiter-Bauelemente, die sowohl den magnetischen Spin als auch die Ladung der Elektronen zur Datenverarbeitung nutzen. Das würde eine Steigerung der Datenverarbeitungsrate, bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs bedeuten. Für zukünftige praktische Anwendungen dieser Spin-Elektronik, oder Spintronik, benötigt man magnetische Halbleiter mit hoher Curie-Temperatur TC, bei der der Halbleiter noch immer ferromagnetischen Verhalten zeigt. Die Hauptzielsetzung dieses Projektantrages war somit die Herstellung und Charakterisierung von neuartigen ferromagnetischen Halbleiterschichtsystemen sowie Halbleiternanostrukturen. Diese bestanden aus GeMnTe und GeMn Legierungen die mittels molekularem Wachstums realisiert wurden. Wir konnten dünne flache Schichten aus GeMnTe mit einer relativ hohen magnetischen Übergangstemperatur von ca. 200 K herstellen, die vergleichbar zu anderen magnetischen Halbleitersystemen, wie z.Bsp. GaMnAs, ist. Dieser Wert ist noch immer weit unter Raumtemperatur bei 300 K, jedoch glauben wir, daß dieses Material das Potential hat diesen Wert zu erreichen. Zudem konnten wir zeigen, daß sich der Ursprung der magnetischen Eigenschaften auf die kristalline kubische Struktur des GeMnTe zurückführen ließ und nicht von anderen kristallinen Ausscheidungen stammte. Zudem untersuchten wir das selbstorganisierte Wachstum von ferromagnetischen GeMn Nanomagneten innerhalb einer Ge-Halbleiterschicht mittels Synchrotronröntgenstreuung. Dieses Materialsystem ist von speziellem Interesse, da es direkt kompatibel mit der heutigen Siliziumtechnologie ist. Die hexagonalen Mn 5 Ge3 Nanomagnete wurden in eine kubische Ge-Matrix eingebettet und zeigten ferromagnetische Eigenschaften bis Raumtemperatur. Wir konnten die mittlere Größe dieser Nanoteilchen, sowie deren Ausrichtung bezüglich des Ge-Gitters als Funktion der Wachstumsbedingungen bestimmen. Ein tiefes Verständnis dieses selbstorganisierten Wachstumsprozeß wird benötigt um die magnetischen Eigenschaften der gesamten Halbleiterschicht gezielt einzustellen. Dieses Wissen ist Voraussetzung für zukünftige mögliche Anwendungen in Bauelementen für die Spintronik.