Electrical and optical detections of spin-filter effects in the ferromagnetic metal / semiconductor junctions
Détections électriques et optiques des effets de filtre à spin dans les jonctions métal ferromagnétique / semi-conducteur
Résumé
The objective of this thesis work is to experimentally investigate the phenomena of the spin-dependent transport of hot electrons at room temperature into ferromagnetic metal (Fe or Co) / semiconductor (GaAs) Schottky junctions. In practice, a spin-polarized electron beam generated by optical orientation is injected into the two-terminal structure with energies varying from 10 to 3 keV above the Fermi level. The transmitted current shows a spin asymmetry, which depends on the relative orientation between the metal magnetization and the incident spin direction. In this PhD work, we have pursued two experimental approaches, one optical and the other electrical for detecting the transmitted current through the junction above the Fermi level, both exploiting the multiplication of electrons due to the generation of secondary electrons inside the metal layer. The electrical measurement requires of working with structures having a very high dynamic resistance of junction (typically a few M). The spin-dependent asymmetries are studied in samples characterized by different thicknesses of the oxide layer between magnetic metal layer and GaAs. We observe different transport regimes associated with the electron transmission at different interfaces. The optical measurement of the transmitted current is based on the radiative recombination of the injected electrons with the holes through the p-type semiconductor band gap. For this purpose a new structure including InGaAs quantum wells and one single Fe layer has been grown. Spin-polarized electrons injected into such a structure produce an asymmetry in the recombination light intensity. The variation of the luminescence asymmetry is studied relative the energy of the incident electrons. The optical detection offers the advantage of being less sensitive to the junction resistance.
L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier expérimentalement le transport d'électrons chauds dépendant du spin à travers une jonction métal ferromagnétique / semi-conducteur. En pratique, un faisceau d'électrons polarisés de spin, émis par une photocathode GaAs en condition de pompage optique, est injecté dans la jonction. L'énergie d'injection peut être réglée entre 5 et 3000 eV. Le courant transmis au-dessus de la barrière métal / semi-conducteur montre une asymétrie de spin due à l'effet de filtre à spin de la couche magnétique. Pour la détection directe du courant électrique transmis dans un dispositif métal / semi-conducteur, on a besoin d'une structure ayant un fort caractère redresseur avec une résistance dynamique de jonction très élevée (typiquement quelques MΩ). Ces propriétés sont obtenus par l'introduction d'une couche mince (de quelques nanomètres) interfaciale d'oxyde entre le métal et le semi-conducteur (structure de type MIS). Nous montrons que la transmission d'électrons chands et les effets de filtre à spin à travers les structures MIS dépendent fortement la couche d'oxyde. Afin de surmonter les difficultés relatives à la détection électrique de la transmission d'électrons dans les jonctions MIS, nous avons développé une méthode de détection optique basée sur la mesure de la cathodoluminescence émise par la recombinaison d'électrons transmis dans le collecteur semi-conducteur. Pour ce faire, nous avons conçu la structure Fe / GaAs / InGaAs / GaAs, qui comprend les puits quantiques InGaAs, dans lesquels les électrons transmis à travers la jonction se recombinent avec les trous. L'intensité de la lumière de recombinaison est détectée en face arrière du substrat GaAs. Nous démontrons que cette technique permet en effet la détection optique de la transmission d'électrons et de l'effet de filtre à spin dans les structures métal ferromagnétique / semi-conducteur. Les limites et les perspectives de la spectroscopie de cathodoluminescence sont discutées.
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