Transport property study of MgO-GaAs(001) contacts for spin injection devices

International audienceThe electrical properties of Au/MgO/n-GaAs(001) tunnel structures have been investigated with capacitance-voltage and current-voltage measurements at room temperature with various MgO thicknesses between 0.5 and 6.0nm. For an oxide thickness higher than 2nm and for low bias voltages, the voltage essentially drops across the oxide and the structure progressively enters the high-current mode of operation with increasing reverse bias voltage, the property sought in spin injection devices. In this mode, we demonstrate that a large amount of charge accumulates at the MgO/GaAsinterface in interface traps located in the semiconductor band gap

Induced work function changes at Mg-doped MgO/Ag(001) interfaces: Combined Auger electron diffraction and density functional study

The properties of MgO/Ag(001) ultrathin films with substitutional Mg atoms in the interface metal layer have been investigated by means of Auger electron diffraction experiments, ultraviolet photoemission spectroscopy, and density functional theory (DFT) calculations. Exploiting the layer-by-layer resolution of the MgKL23L23 Auger spectra and using multiple scattering calculations, we first determine the interlayer distances as well as the morphological parameters of the MgO/Ag(001) system with and without Mg atoms incorporated at the interface. We find that the Mg atom incorporation drives a strong distortion of the interface layers and that its impact on the metal/oxide electronic structure is an important reduction of the work function (0.5 eV) related to band-offset variations at the interface. These experimental observations are in very good agreement with our DFT calculations which reproduce the induced lattice distortion and which reveal (through a Bader analysis) that the increase of the interface Mg concentration results in an electron transfer from Mg to Ag atoms of the metallic interface layer. Although the local lattice distortion appears as a consequence of the attractive (repulsive) Coulomb interaction between O2− ions of the MgO interface layer and the nearest positively (negatively) charged Mg (Ag) neighbors of the metallic interface layer, its effect on the work function reduction is only limited. Finally, an analysis of the induced work function changes in terms of charge transfer, rumpling, and electrostatic compression contributions is attempted and reveals that the metal/oxide work function changes induced by interface Mg atoms incorporation are essentially driven by the increase of the electrostatic compression effect

k-space spin filtering effect in the epitaxial Fe/Au/Fe/GaAs(001) spin-valve

International audienceThe hot-electron magnetotransport of epitaxial Fe/Au/Fe/GaAs(001) spin-valves is investigated by ballistic-electron magnetic microscopy. A magnetocurrent amplitude larger than 500% is observed at room temperature close to the Schottky barrier energy. Remarkably, this magnetocurrent is not significantly affected by the thickness reduction of ferromagnetic films, down to 5 atomic layers of the Fe(001) top electrode. This rather suggests a dominant interfacial spin-filtering effect. Finally, the magnetocurrent is strongly reduced when the effective mass of the semiconductor collector is increased. These observations are consistent with recent theoretical prediction of k-space spin-filtering effect in epitaxial spin-valves attached to a semiconducting lead

Étude des propriétés de transport de structures MgO/GaAs (001) pour l'électronique de spin

Cette thèse s inscrit dans le domaine de recherche ayant trait au développement de dispositifs basés sur l injection et la détection de courant polarisé en spin associant métaux ferromagnétiques (FM), semi-conducteurs (SC) et oxydes. La jonction FM/MgO/GaAs apparait comme un candidat prometteur dans ce domaine. Nos travaux ont porté sur l étude des mécanismes de transport et des propriétés électriques et électroniques (par des mesures I(V) et C(V)) d hétérostructures métal/MgO/GaAs_n pour différentes concentrations de dopage du semi-conducteur et d épaisseurs d oxyde. Les mécanismes qui gouvernent le transport électronique ont été identifiés et le mode de fonctionnement des différentes structures compris. Nos résultats montrent qu aucune de nos structures métal/MgO/GaAs ne permet d accéder au critère théorique énoncé par Fert et Jaffrès pour une structure latérale FM/barrière tunnel/SC/barrière tunnel/FM: d après notre étude, il n est pas possible, par notre méthode de préparation, de réaliser des dispositifs basés sur le contact MgO/GaAs permettant d injecter et de détecter efficacement un courant polarisé en spin à température ambiante. Ceci s explique par le fait que pendant la phase de dépôt du MgO, des défauts sont induits dans la bande interdite du semi-conducteur sur des profondeurs de plusieurs dizaines de nanomètres.The background of this thesis work is the growing development of spintronic devices based on injection and detection of spin polarized current from a ferromagnetic metal (FM) into a semiconductor (SC) through a thin oxide tunnel barrier. The FM/MgO/GaAs contact appears as very promising candidate. In this framework, we have studied the transport mechanisms and electrical properties methods of Au/MgO/GaAs heterojunctions using I(V) and C(V) for various doping concentration and oxide thickness. We have determined the transport mechanisms which control the current injection and understood the mode of operation of this kind of structures. Our results show that the Fert and Jaffrès s theoretical criterion for lateral FM/tunnel barrier/SC/tunnel barrier/FM structure is not fulfilled for none metal/MgO/GaAs junctions: this study demonstrate that it is not possible to inject and detect spin-polarized current efficiently through MgO/GaAs contact at room temperature with our growth method. The main fundamental reason for this failure is that deposition of MgO induces defects which extend on a depth of several tens of nanometer in semiconductor band gap.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Barrière tunnel épitaxiées de MgO sur GaAs(001) (croissance, propriétés électroniques et électriques)

Cette thèse a pour cadre l effort réalisé actuellement pour injecter un courant polarisé en spin dans un semiconducteur. Le moyen le plus prometteur pour cela est l utilisation d une électrode métallique magnétique déposée sur une barrière tunnel de MgO épitaxié sur GaAs. Nous déposons les couches de MgO sur des surfaces de GaAs(001) sous ultravide ou sous atmosphère d O2, à température ambiante. Les propriétés structurales telles que la relations d épitaxie, la réactivité aux interfaces ou les offsets de bande ont été étudiés par RHEED et XPS. Des mesures de transport (I-V, C-V) sur des jonctions Au/MgO/GaAs nous ont permis de mieux comprendre les mécanismes de transport mais ont montré que notre structure ne remplissait pas les critères énoncés par Fert pour une injection efficace de courant polarisé dans GaAs. Pour s approcher de ces critères d injection, des modifications des conditions de dépôt et/ou de l architecture de nos structures ont alors été avancées puis testée.The background of this work is the growing development of spintronic devices combining ferromagnetic materials (spin source) and semi-conductors (spin manipulation medium). The main goal of this thesis is the study of the growth, physical-chemical properties and tunnel spin injection into the Fe/MgO/GaAs(001) system. Structure properties, chemical reactivity and band offsets have been studied by RHEED and XPS. Transport measurement (I-V, C-V) on Au/MgO/GaAs structures have been achieved to better understand the transport mechanisms through the barrier but showed the interface resistance does not fulfil Fert s criteria for efficient spin injection. Modifications of the growth conditions and/or our structures design have therefore been proposed and tested.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Substrate disruption and surface segregation for Fe/InAs()

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Microscopie à Emission d Electrons Balistiques (BEEM) (étude des propriétés électroniques locales d hétérostructures)

Ce travail de thèse s est développé autour de la microscopie à émission d électrons balistiques (BEEM) sous ultra-vide, dédiée à l étude des propriétés électroniques d interfaces d hétérostructures pertinentes pour des applications potentielles en électronique de spin. Dans un premier temps, l étude de la jonction Schottky Au/GaAs(001) a permis de mettre en évidence l influence des propriétés structurales sur le transport d électrons chauds. Une étude similaire sur Fe/GaAs(001) a confirmé la sensibilité du BEEM aux effets de structures électroniques. Ensuite, l étude BEEM sur les propriétés électroniques locales de la barrière MgO/GaAs(001) a révélé la présence de canaux de conduction situés dans la bande interdite de MgO. Ces canaux sont associés à la présence de lacunes d oxygène localisées dans l oxyde, qui diminuent fortement la hauteur de barrière tunnel. Enfin, des études préliminaires de transport d électrons chauds dépendants du spin sur Fe/Au/Fe/GaAs(001) sont présentées.This thesis work has been developed on ballistic electron emission microscopy (BEEM) under ultra-high vacuum, dedicated to the study of interface electronic properties of heterostructures based on III-V semiconductors, essentially for further potential applications in spintronics. First, the study of Au/GaAs Schottky junction has shown, by comparison between experimental measurements and theorical calculations, the effect of structural properties on hot-electron transport. A similar study realized on Fe/GaAs(001) has confirmed the BEEM sensitivity to electronic structure effects. Then, BEEM measurements on the barrier MgO/GaAs(001) have revealed new conduction channels localized in the band gap of MgO. They are related to oxygen vacancies in the oxide layer, which strongly reduce the tunnel barrier height. Finally, first measurements of spin-polarized hot-electron transport realized on Fe/Au/Fe/GaAs(001) spin-valve are presented.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Isolant dans la limite ultra-mince (propriétés électroniques et barrières tunnel de MgO)

Présentes dans de nombreux dispositifs comme les jonctions tunnel magnétiques ou les systèmes cluster / oxyde utilisés en catalyse hétérogène, les interfaces métal/oxyde présentent des propriétés spécifiques venant du raccordement entre deux matériaux de structure atomique et surtout de structure électronique très différentes. Ce projet de recherche repose sur l étude, par diverses techniques de spectroscopies de photoémission, de la géométrie et de la structure électronique aux interfaces MgO/Ag(001) pour des épaisseurs d oxyde subnanométriques. Nous avons, tout d abord, montré que la valeur de la hauteur de la barrière Schottky (SBH) à l interface pouvait être décrite grâce au modèle de Schottky-Mott et d un effet de polarisation induit par le MgO. Ensuite, une attention particulière a été portée sur la capacité à contrôler la hauteur de barrière Schottky à l interface MgO/métal en modifiant les conditions de préparation/traitement de la couche d oxyde. Enfin, l étude par diffraction de photoélectrons de films minces de MgO dans un régime de très faible épaisseur a révélé des propriétés originales de l interface MgO/métal quant aux propriétés de relaxation électronique, permettant ainsi d obtenir une résolution couche par couche de l interface MgO/Ag(001). Cette résolution expérimentale, confrontée à des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), a été utilisée pour démontrer la possibilité d intercaler des atomes de Mg à l interface MgO/Ag(001). La variation de travail de sortie du système induite par la présence de ces impuretés est corrélée à la modification des effets de polarisation induits par le MgO.Magnesium oxide ultrathin films grown on metal substrates have received considerable attention because of their technological importance in many research fields, such as spintronics and heterogeneous catalysis. The ability to tune and control the band alignment in magnetic tunnel junctions or the cluster/oxide systems in catalytic applications implies a detailed knowledge of the metal/oxide interface electronic structure. The first part of this thesis deals with a photoemission study of the interface electronic structure of ultrathin MgO films on Ag(001) as a function of the oxide thickness. It is shown that the Fermi-level pinning at the interface is essentially controlled by an interfacial dipole governed by an MgO-induced polarization effect. Next, this extended Schottky-Mott model was also invoked to explain the dependence of the Schottky barrier height on the oxide growth conditions. The lowering of the metal/oxide work function induced by the Mg enrichment of the Ag surface region during the growth was demonstrated. Finally, we present a joint experimental-theoretical study of a three monolayer s MgO/Ag(001) system. Combining x-ray excited Auger electron diffraction measurements and multiple-scattering simulations provide a layer-by-layer resolution of the MgKLL Auger electron emissions which has been used to demonstrate the ability to intercalate Mg atoms at the buried interface by post-growth interface engineering. The induced work function changes and large interlayer relaxation at the metal/oxide interface are evidenced and show an excellent agreement with density functional theory calculations.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Layer-resolved study of Mg atom incorporation at the MgO/Ag(001) buried interface

By combining x-ray excited Auger electron diffraction experiments and multiple scattering calculations we reveal a layer-resolved shift for the Mg KL₂₃L₂₃ Auger transition in MgO ultrathin films (4–6 Å) on Ag(001). This resolution is exploited to demonstrate the possibility of controlling Mg atom incorporation at the MgO/Ag(001) interface by exposing the MgO films to a Mg flux. A substantial reduction of the MgO/Ag(001) work function is observed during the exposition phase and reflects both band-offset variations at the interface and band bending effects in the oxide film

Schottky barrier formation at the Fe/SrTiO3 (001) interface: Influence of oxygen vacancies and layer oxidation

International audienceSchottky barrier formation at metal/insulating oxide interfaces relies on complex mechanisms which are difficult to unravel. We propose a detailed numerical study of the atomic, magnetic, and electronic properties of the Fe/SrTiO3 (001) interface, in which we focused our discussion on different parameters which can affect the Schottky barrier height (SBH). The interface termination appears to be the most critical aspect to be controlled for this interface: While an ideal TiO2-terminated interface would guarantee a n-type barrier of about 1.2-1.6 eV, the presence of a SrO termination can drastically decrease its value down to few meV. The oxidation state of the interface is also an important criterium to maintain a high barrier value. Oxygen vacancies are always cited as the source of a deterioration of the SBH. For a TiO2-terminated interface, we found that in their most stable position, i.e., in the interface layer, the oxygen vacancies do not affect the value of the SBH; when moving some atomic layers away from the interface, the SBH on the contrary decreases regularly. We propose that oxidizing the interface would allow us to improve the n-type SBH by healing the oxygen vacancies and forming an interfacial FeO layer, which seems favorable to the formation of a higher SBH