Ge-bazlı manyetik yarıiletkenlerin incelenmesi

Abstract

Mikro elektronik teknolojisinin boyutlarının limit değerlere doğru hızlı şekilde yaklaşması, yeni nesil manyeto elektronik cihazlar için ümit vadeden spintronik teknolojisi büyük dikkat çekmiştir. Özellikle seyreltilmiş manyetik yarıiletkenlerde (DMS) ferromanyetik geçişin elektrik alan ile kontrol edilebilmesi, manyetoelektronik cihazlarda düşük güç tüketimi ve düşük kararsızlık gibi özellikler sunmaktadır. Bu çalışmada, Si teknolojisi ile uyumundan dolayı, Mn katkılanmış Ge yarıiletken filmler Si alttaş üzerine moleküler demet epitaksi yöntemi ile büyütülmüştür. Ge yarıiletkeni, yüksek mobilitesi ve silikon ile uyumundan dolayı oldukça dikkat çekicidir. Mn ise, Mn atomları arasındaki mesafeye bağlı olarak ferromanyetik davranışının kontrol edilebilmesinden dolayı tercih edilmiştir. Bu tezde, Mn katkılanmış Ge-bazı seyreltilmiş manyetik yarıiletken büyütme çalışmalarında karşılaşılan ana engeller üzerinde durulmuştur. Tezin ilk adımında MnGe ince filmler, Mn atomlarının Ge içerisindeki dağılımını kontrol edebilmek adına, atomik boyutta Mn/GeMn çoklu katmanlar şeklindeki depolanmıştır. İkinci adımda ise Mn atomlarının Ge ara katmanları içerisindeki difüzyon aralığını ayarlamak için Mn0.04Ge0.96 filmler Si(100) alttaş üzerine farklı sıcaklıklarda (100, 130, 150 ᵒC) büyütülmüştür. Üçüncü adımda Ge atomları yerine oturmuş Mn atomu sayısını kontrol ederek filmlerin manyetik özelliklerini arttırmak amacı ile MnGe filmlerin içerisine nitrojen katkıları dâhil edilmiştir. Bu amaç doğrultusunda Ge/MnGe katmanları ardışık olarak Si(100) alttaş üzerine, 5x〖10〗^(-5) Torr N2 kısmi basıncı altında depolanarak yüksek kalitede Mn0.04Ge0.96 örnekler hazırlanmıştır. Son kısımda yüksek spin enjeksiyon verimliliği, yüksek spin polarizasyonu ve oda sıcaklığındaki ferromanyetizmasından dolayı umut vadeden Mn5Ge3 yapısı araştırılmıştır. Mn5Ge3 yapısı farklı kalınlıklardaki (35, 70, 140, 210, 280 nm) Ge katmanları SPE yöntemi ile büyütülmüştür. Böylece Ge ara katmanın kalınlığının ve yüzey morfolojisinin Mn`5` Ge`3` yapısının oluşumuna ve manyetik özelliklerine etkisi araştırılmıştır.

With seemly fast approaching the limit of scaling on microelectronics spintronic has received enormous attention as it promises next generation magnetoelectronic devices. Especially the electric field control of ferromagnetic transition in diluted magnetic semiconductors (DMS), offers magnetoelectronic devices a potential for low power consumption and low variability. In this thesis, due to compatibility with existing Si technology, Mn doped Ge semiconductor films have been growth on Si(100) by molecular beam epitaxy. Ge is a desirable semiconductor because of its high mobility and its compatibility with silicon. Manganese was choosen for its property which enables ferromagnetism control over the distance of Mn atoms. In this thesis are focussed on the key challenges for the growth of Mn doped Ge Firstly Mn0.04Ge0.96 thin films were grown by altering deposition of atomic-scale layer of Mn and MnGe to carefully control the distribution of Mn atoms in Ge. Secondly, to adjust the diffusion range of Mn atoms in Ge spacer, MnGe thin films were growth on Si(100) substrate at different growth temperatures (100, 130, 150 ᵒC). Thirdly nitrogen impurities were introduced into to the films to control the number of substitutional Mn atoms with the final goal of improving their magnetic properties. In accordance for this purpose high quality MnGe films were obtained by sequantial evaporation of stacked Mn and Ge layers on Si(100) substrate under 5x〖10〗^(-5) Torr N2 partial pressure. Finally, Mn5Ge3 structure was investigated due to the its high spin injection efficiency, high spin polarization and room temperature ferromagnetism. Mn5Ge3 structure was grown on Ge buffer layers with varying thicknesses (35, 70, 140, 210, 280 nm) using Solid Phase Epitaxy (SPE). Thus, the role of Ge layer thickness and surface morphology on the formation of Mn5Ge3 structure and their magnetic properties was examined.