Grenzflächen und Interdiffusion von Heuslerlegierung/GaAS(001) Hybridstrukturen

Untersuchungen von ferromagnetischen Dünnschichten auf Halbleitern sind weltweit ein wichtiges Forschungsthema. Von der Kombination ferromagnetischer Eigenschaften mit halbleitenden erwartet man den Zugriff auf die Spininformation des Elektrons und somit entscheidende Fortschritte gegen- über der bisherigen, rein auf der Elektronenladung basierenden CMOS-Technologie. Bauelemente einer zukünftiger Spin- und Magnetoelektronik erfordern die Entwicklung ferromagnetischer Elektro- den auf Halbleiter-Substraten, mit denen ein spinpolarisierter elektrischer Strom in den Halbleiter inji- ziert werden kann und/oder die eine hohe Änderung des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) in magne- tischen Tunnelelementen (MTJ) aufweisen. Ein vielversprechendes Materialsystem sind die halb- metallischen Ferromagnetika, die im Idealfall bis zu 100 % Spinpolarisation der leitenden Elektronen aufweisen, verbunden mit einer hohen Spin-Injektions-Effizienz sowie einem hohen TMR-Effekt. Eine prominente und seit dem letzten Jahrzehnt wieder viel studierte Materialklasse mit halbmetal- lische Ferromagnetika sind die binären und ternären Heusler-Legierungen. Für die Ausbildung der halbmetallischen Eigenschaften in Heusler-Legierungschichten ist eine perfekte kristallographische Ordnung erforderlich. Wie jüngste theoretische Untersuchungen zeigen, hängt die Spin- Polarisation auf der Oberfläche und an den Grenzzflächen zudem von der Zusammen- setzung ab. Unsere aktuellen Ergebnisse weisen auf eine starke Interdiffusion im Grenzflächenbereich Fe1-x Si x /GaAs(001). Echtzeit-Messungen der mechanischen Spannungen und ortsaufgelöste Unter- suchungen der chemischen Zusammensetzung zeigen bereits bei moderaten Temperaturen nicht nur die Diffusion von Fe und Si in das Substrat, sondern auch von As und Ga in den Film. Dadurch ergibt sich eine Grenzflächenregion von mehreren Nanometern, in der Fe, Si, As und Ga koexistieren, was die niedrigen experimentellen Spin-Injektionswerte der strukturell hervoragenden Heterostrukteren erklärt. Diese alarmierenden Resultate verlangen daher die Entwicklung geeigneter Diffusions- barrieren für den technologischen Einsatz von Ferromagnet/ Halbleiter-Hybrid-Systemen. Dieser Projektantrag konzentriert sich auf die Erforschung von Grenzflächenbildung und Inter- diffusion bei Keimbildung und Wachstum von Heusler-Legierungsfilmen auf GaAs(001)-Substraten auf einer atomaren Ebene. Des Weiteren sollen geeignete dielektrische Filme (MgO) entwickelt werden, die sowohl als Diffusionsbarrieren als auch als Tunnelbarrieren fungieren. Die geplanten Untersuchungen bilden die Basis für die Herstellung von zuverlässigen, aus halbmetallischen Heusler- Legierungen bestehenden TMR-Elementen, die insgesamt vier unterschiedliche Grenzflächen auf- weisen [GaAs(001)/Barriere-A, Barriere-A/Heusler, Heusler/Barriere-B, Barriere-B/Heusler]. Die Schlüsseltechniken für die erfolgreiche Durchführung des Projekts sind: (i) Messungen der Film- spannungen zur Untersuchung von Keimbildung, Wachstum, Misfit-Relaxation und Interdiffusion der Heterostrukturen in Echtzeit, und (ii) in-situ Rastertunnelmikroskopie für atomar auflösende, lateral lokalen Unteruchungen der Grenzflächenstruktur und Zusammensetzung.

Untersuchungen von ferromagnetischen Dünnschichten auf Halbleitern sind weltweit ein wichtiges Forschungsthema. Von der Kombination ferromagnetischer Eigenschaften mit denen von Halbleitern erwartet man den Zugriff auf die Spininformation des Elektrons und somit entscheidende Fortschritte gegenüber der bisherigen, rein auf der Elektronenladung basierenden CMOS-Technologie. Bauelemente einer zukünftiger Spin- und Magnetoelektronik erfordern die Entwicklung ferromagnetischer Elektroden auf Halbleiter-Substraten, mit denen ein spinpolarisierter elektrischer Strom in den Halbleiter injiziert werden kann und/oder die eine hohe Änderung des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) in magnetischen Tunnelelementen (MTJ) aufweisen. Eine prominente und seit dem letzten Jahrzehnt wieder viel studierte Materialklasse mit halbmetallischen Ferromagnetika, die im Idealfall bis zu 100 % Spinpolarisation der leitenden Elektronen aufweisen, sind binären (z.B. Fe3Si) und ternären (z.B. Co2FeSi) Heusler-Verbindungen.Die Spin-Polarisation von Heusler-Dünnschichten auf der Oberfläche und an den Grenzflächen von Mehrlagensystemen, sogenannten Heterostrukturen, hängt stark von der genauen chemischen Zusammensetzung ab. Mit Hilfe der Heterostrukturen Fe3Si/GaAs(001) und Co2FeSi/GaAs(001) auf den technologisch bedeutenden Galliumarsenid-Substraten (GaAs) ist der Nachweis einer starken Interdiffusion dieser Verbindungen an den Grenzflächen gelungen. Bereits bei moderaten Wachstumstemperaturen erfolgt nicht nur die Diffusion von Fe, Co und Si in das Substrat, sondern auch von As und Ga in den Film. Dadurch ergibt sich eine Grenzflächenregion von mehreren Nanometern, in alle Komponenten koexistieren. Diese alarmierenden Resultate verlangen daher die Entwicklung geeigneter Diffusionsbarrieren für den technologischen Einsatz von Ferromagnet/ Halbleiter-Hybrid-Systemen.Im Projekt P 24335 wurde die Herstellung von zwei aussichtsreichen Isolatormaterialien, Magnesiumoxid (MgO) und Molybdäntrioxid (MoO3) auf GaAs-Substraten untersucht; beide können sowohl als Diffusions- als auch als Tunnelbarriere fungieren. Der Schwerpunkt lag auf der Erforschung der atomaren Struktur und Zusammensetzung der Grenzflächen zwischen den einzelnen Lagen der Heterostrukturen (z.B. MgO/GaAs oder Fe/MoO3). Die Heterostrukturen wurden in einer komplexen Molekularstrahl-Epitaxieanlage hergestellt und mit verschiedenen strukturellen und spektroskopischen Messverfahren untersucht. Es zeigte sich, dass bereits ultradünne MgO-Schichten, die nur aus 14 (!) einkristallinen Atomlagen bestehen, ausreichen, um die Diffusion von Fe in das GaAs- Substrat sowie von Ga und As in die Fe-Schicht zu verhindern. Solche Schichten jedoch zu dünn, um eine magnetische Kopplung zweier ferromagnetischer Lagen und damit ein unabhängiges Umschalten ihrer jeweiligen Magnetisierungsrichtungen zu verhindern. MgO-Diffusionsbarrieren eignen sich daher nur schlecht für den Einsatz in zukünftigen magnetologischen Bauelementen. Als Diffusionsbarrieren sind die MgO-Schichten aber immer noch dünn genug, damit ein messbarer quantenmechanischer Tunnelstrom fließen kann, der für den elektrischen Nachweis der Magnetisierungsrichtung einer ferromagnetischen Lage in Bauelementen der Spintronik benötigt wird.Mit den Wachstumsuntersuchungen von MoO3-Filmen auf GaAs(001) wird wissenschaftliches Neuland betreten. Aufgrund der guten Gitteranpassung der ?-MoO3(010)-Ebene mit GaAs(001) ist ein nahezu verzerrungsfreies Wachstum zu erwarten. Zudem ist der elektrische Widerstand über einen weiten Bereich ? von isolierend bis (halb)metallisch ? über den Sauerstoffgehalt einstellbar. Unter den bisher studierten Wachstumsbedingungen entstehen polykristalline Filme mit nanoskaligen einkristallinen Domänen. Fe, welches auf eine dünne (?3 nm) MoO3-Schicht abgeschieden wird, Fe diffundiert zum Teil in und unter die MoO3-Schicht. Für die Verwendung als Diffusionsbarriere sind einkristalline Filme aus dem dichteren ?-MoO3 erforderlich.