Spintronic semiconductor devices based on Mn doped GaAs

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Novikov, Sergey, Dr., The University of Nottingham, School of Physics & Astronomy, UK
dc.contributor.author Lebedeva, Natalia
dc.date.accessioned 2013-11-05T10:00:18Z
dc.date.available 2013-11-05T10:00:18Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5390-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5389-9 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/11260
dc.description.abstract The effects of the strong sp-d exchange interaction, ferromagnetic ordering and large spin fluctuations on the electrical transport properties of various spintronic semiconductor devices have been studied both theoretically and experimentally. The studied devices, which either have a ferromagnetic Mn doped GaAs layer or a Mn doped quantum dot as a central part of the device structure, included pn- and Schottky diodes, Esaki-Zener tunnel diodes, resonant tunnelling diodes, and ferromagnetic single electron transistors consisting of ferromagnetic quantum dots. The modeling of the spintronic devices utilized the advanced Green's function techniques, such as Keldysh Green's functions, which allowed accurate modeling by combining the quantum mechanically calculated electronic structure of the devices with the quantum statistical transport theory. This way the effects of scattering and collisional broadening of the energy levels could also be conveniently included in the models. The models predicted strongly spin-dependent transport and large changes in the magnetotransport properties of the spintronic semiconductor devices at temperatures close to the ferromagnetic ordering temperature or in moderate magnetic fields. The model for the ferromagnetic quantum dots predicted Kondo-like resonances in the conductance at high temperatures. In the experimental part of the work the ferromagnetic thin films, pn-junctions, Esaki-Zener tunnel diodes, Schottky diodes, and resonant tunnelling diodes were fabricated using Molecular Beam Epitaxy technique for the growth of the Mn doped GaAs layers. The electrical and magnetic properties of these devices were studied by measuring the I-V characteristics, Hall effect, magnetoresistance, and magnetization as a function of temperature and magnetic field. The main result was the observation of the tunnelling anisotropic magnetoresistance effect (TAMR) in the Esaki-Zener tunnel diodes and the resonant tunnelling diodes. The effect was observed at very low bias voltages, which might allow the realization of ultra low-power spintronic devices. The developed models explained the measured magnetotransport properties. As an example, applying the spin-disorder scattering model a good quantitative agreement was obtained between the measured and calculated resistance and magnetoresistance in Mn doped GaAs layers in wide temperature and magnetic field ranges. en
dc.description.abstract Työssä tutkittiin teoreettisesti ja kokeellisesti voimakkaan vaihtovuorovaikutuksen, magneettisen järjestäytymisen, ja spin-fluktuaatioiden vaikutuksia spintroniikan puolijohdekomponenttien sähköisiin kuljetusominaisuuksiin. Oleellisena osana tutkittujen komponettien rakennetta oli magnaanilla seostettu GaAs-kerros tai ferromagneettinen kvanttipiste. Tutkittuja komponentteja olivat pn-liitokset, Schottky-diodit, spin Esaki-Zener- tunnelidiodit, resonanssitunnelidiodit, ja ferromagneettiseen kvantti-pisteeseen perustuvat yksielektroni-transistorit. Komponenttien mallinnuksessa käytettiin Greenin funktiotekniikkaa, kuten Keldyshin Greenin funktioita, mikä mahdollisti tarkan kvanttistatistisen mallinnuksen, jossa otettiin huomioon mm. sironnan vaikutus kvanttimekaanisesti laskettujen energiatilojen leviämiseen. Mallit ennustivat voimakkaasti varauksenkuljettajien spinistä riippuvia kuljetusilmiöitä, kuten magnetoresistanssia ja spinistä riippuvaa tunneloitumista, erityisesti ferromagneettisen transitiopisteen läheisyydessä ja ulkoisen magneettikentän vaikuttaessa. Malli ferromagneettisille kvanttipisteille ennusti Kondo-tyyppistä konduktanssiresonanssia korkeissa lämpötiloissa. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin useita spintroniikan puolijohdekomponentteja kuten ferromagnettisia diodeja käyttäen Molekyylisuihku-tekniikkaa mangaanilla seostettujen GaAs-ohutkalvojen kasvatuksessa. Komponenttien sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia tutkittiin mittaamalla I-V ominaiskäyrät, Hall ilmiö, magnetoresistanssi ja magnetointi lämpötilan ja magneettikentän funktiona. Tärkein tulos oli epäisotrooppisen tunnelimagnetoresistanssi-ilmiön löytyminen Esaki-Zener-tunnelidiodeissa ja ferromagneettisissa resonanssitunnelidiodeissa. Ilmiö havaittiin myös hyvin pienillä jännitteillä, mikä periaatteessa mahdollistaa hyvin pienitehoisten spintroniikan komponenttien toteutuksen. Työssä kehitetyt teoreettiset mallit selittivät havaitut magnetosähköiset ilmiöt. Esimerkiksi spin-epäjärjestyssironnan malli kuvasi tarkasti Mn-seostetuissa GaAs-ohutkalvoissa mitatun resistiivisyyden ja magnetoresistanssin laajalla lämpötila-alueella ja kaikilla mittauksissa käytetyillä magneettikenttäarvoilla. fi
dc.format.extent 72 + app. 122
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 168/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: N. Lebedeva and P. Kuivalainen, Shift in the absorption edge due to exchange interaction in ferromagnetic semiconductors, Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 14, pp. 4491-4501, 2002. DOI: 10.1088/0953-8984/14/17/319.
dc.relation.haspart [Publication 2]: N. Lebedeva and P. Kuivalainen, Modeling of ferromagnetic semiconductor devices for spintronics, Journal of Applied Physics, vol. 93, pp. 9845-9864, 2003. DOI: 10.1063/1.1575498.
dc.relation.haspart [Publication 3]: H. Holmberg, N. Lebedeva, S. Novikov, J. Ikonen, P. Kuivalainen, M. Malfait, and V. V. Moshchalkov, Large magnetoresistance in a ferromagnetic GaMnAs/GaAs Zener-diode, Europhysics Letters, vol. 71, pp. 811-816, 2005. DOI: 10.1209/epl/i2005-10142-y.
dc.relation.haspart [Publication 4]: H. Holmberg, N. Lebedeva, S. Novikov, P. Kuivalainen, M. Malfait and V. V. Moshchalkov, Electrical transport in Mn-doped GaAs pn-diodes, Physica Status Solidi (a), vol. 204, pp. 791-804, 2007. DOI: 10.1002/pssa.200622448.
dc.relation.haspart [Publication 5]: H. Holmberg, G. Du, N. Lebedeva, S. Novikov, P. Kuivalainen and X. Han , Magnetotransport in ferromagnetic Schottky diodes made of Mndoped GaAs, Journal of Physics: Conference Series, vol. 100, p. 052075, 2008. DOI: 10.1088/1742-6596/100/5/052075.
dc.relation.haspart [Publication 6]: H. Holmberg, N. Lebedeva, S. Novikov, M. Mattila, P. Kuivalainen, G. Du, X. Han, M. Malfait and V. V. Moshchalkov, Magnetotransport of holes through an AlAs/GaAs/AlAs resonant tunnelling quantum well with a ferromagnetic Ga1-xMnxAs emitter, Physica Status Solidi (a), vol. 204, pp. 3463-3477, 2007. DOI: 10.1002/pssa.200723109.
dc.relation.haspart [Publication 7]: N. Lebedeva and P. Kuivalainen, Spin-dependent current through a ferromagnetic resonant tunnelling quantum well, Physica Status Solidi (b), vol.242, pp. 1660-1678, 2005. DOI: 10.1002/pssb.200440045.
dc.relation.haspart [Publication 8]: N. Lebedeva, H. Holmberg and P. Kuivalainen, Interplay between the exchange and Coulomb interactions in a ferromagnetic semiconductor quantum dot, Physical Review B, vol. 77, p. 245308, 2008. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.245308.
dc.subject.other Physics en
dc.title Spintronic semiconductor devices based on Mn doped GaAs en
dc.title Mangaanilla seostetuista GaAs-ohutkalvoista valmistetut spintroniikan puolijohdekomponentit fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Mikro- ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Micro and Nanosciences en
dc.subject.keyword spintronics en
dc.subject.keyword gallium arsenide en
dc.subject.keyword semiconductor technology en
dc.subject.keyword magnetotransport en
dc.subject.keyword tunnelling effects en
dc.subject.keyword spintroniikka fi
dc.subject.keyword galliumarsenidi fi
dc.subject.keyword puolijohdeteknologia fi
dc.subject.keyword magnetoresistanssi fi
dc.subject.keyword tunnelointi-ilmiöt fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5390-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kuivalainen, Pekka, prof., Aalto University, Department of Micro- and Nanosciences, Finland
dc.opn Österbacka, Ronald, prof., Åbo Akademi university, The Graduate School of Materials Research, Finland
dc.contributor.lab Electron Physics Group en
dc.rev Wilander, Magnus, prof., Linköping University, Sweden
dc.rev Ahopelto, Jouni, prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Microsystems and Nanoelectronics, Finland
dc.date.defence 2013-11-15


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account