Spin-dependent transport in Mn doped GaAs and GaN diodes

Abstract

The main idea of the thesis was to study experimentally the potential and the possibilities of semiconductor spintronic devices. Spin dependent magnetotransport was studied in different Mn doped GaAs and GaN thin films and diode structures. The ferromagnetic thin films and pn, spin Esaki-Zener tunnel and resonant tunnelling diodes were fabricated from Mn doped GaAs and GaN using the Molecule Beam Epitaxy technique. The magnetotransport measurements consist of, e.g., I-V, resistance and Hall measurements as a function of magnetic field and temperature. In this study also the magnetic field dependence of the current of the ferromagnetic diodes were modeled. In addition, the material studies were carried out using Secondary Ion Mass Spectroscopy and X-ray Diffraction techniques and the magnetization measurements using a magnetometer.

The main result of this study was the observation of the tunnelling anisotropic magnetoresistance effect (TAMR) in Mn doped GaAs spin Esaki-Zener tunnel and resonant tunnelling diodes. In the Mn doped GaAs Esaki-Zener diode the TAMR effect was observed at low bias voltages, which makes it possible to fabricate ultra low power spintronic devices. Another important result was that a room temperature ferromagnet of Mn doped GaN can be fabricated by a solid state diffusion method. The effect of Mn doping on the resonant tunnelling diodes with magnetic Mn doped GaAs emitters was also characterized. In addition, the reason why the current of a pn-diode having a lightly doped region is independent of magnetic field, even when some part of the device is magnetic, is given. Also the negative magnetoresistance due to the spin disorder scattering was observed and modeled in Mn doped GaAs and GaN thin films.

Väitöskirjan päätavoite oli kokeellisesti tutkia puolijohdespintroniikkakomponenttien potentiaalia ja mahdollisuuksia. Työssä tutkittiin spinistä riippuvaa sähkönkuljetusta erilaisissa Mn:lla seostetuissa GaAs ja GaN ohutkalvoissa ja diodirakenteissa. Työssä valmistettiin molekyylisuihkuepitaksia menetelmän avulla ferromagneettisia ohutkalvoja, pn-diodeja, spin Esaki-Zener tunneli-diodeja ja resonanssitunnelidiodeja Mn:lla seostetuista GaAs:sta ja GaN:sta. Galvanomagneettiset mittaukset koostuivat mm. virta-jännite, resistanssi- ja Hall-mittauksista magneettikentän ja lämpötilan funktiona. Tutkimuksessa myös mallinnettiin ferromagneettisten diodien havaittuja virran magneettikenttäriippuvuuksia. Lisäksi näytteille tehtiin materiaalitutkimuksia SIMS- ja XRD-menetelmillä ja magnetointimittauksia magnetometrillä.

Tutkimuksen päätulos oli tunnelivirran voimakkaan magneettikenttäriippuvuuden ns. TAMR (Tunnel Anisotropic Magnetoresistance) havaitseminen ferromagneettisessa Mn seostetussa GaAs spin Esaki-Zener tunneli- ja resonanssitunnelidiodeissa. TAMR ilmiö havaittiin Mn:lla seostetuissa GaAs Esaki-Zener diodeissa pienillä bias-jännitteillä, joka tekee mahdolliseksi erittäin pienen tehonkulutuksen omaavan spintroniikkakomponentin valmistamisen. Toinen merkittävä tulos oli, että tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan diffuusion avulla Mn seostutettuja GaN ohutkalvoja, jotka ovat ferromagneettisia huoneenlämpötilassa. (Ga,Mn)As resonanssitunnelidiodin virran riippuvuutta Mn seostuksesta tutkittiin. Lisäksi työssä selitettiin, miksi heikosti seostetun pn-diodin virta ei riipu magneettikentästä, vaikka jokin pn-diodin osa olisi magneettinen. Mn seostetuissa GaAs ja GaN ohutkalvoissa havaittiin myös spin-epäjärjestys sirontaa ja negatiivista magnetoresistanssia.