The metal-semiconductor interface: Fe-Si(001) and Fe-InP(001)

Abstract

Das Forschungsgebiet der Spintronik hat viel von Untersuchungen der Grenzschichten zwischen Ferromagneten und Halbleitern profitiert. In der vorliegenden Arbeit wird über Untersuchungen zu den Oberflächenrekonstruktionen von Si(001) und InP(001) und dem Wachstum von Fe Schichten auf diesen Substraten berichtet. Um Fe-Si Reaktionen zu unterdrücken, wurde eine Au-Pufferschicht in zwei Stufen auf (2 × 1) Si(001) aufgewachsen. Zunächst wurde eine Rekonstruktion der Si(001) Oberfläche durch Deposition von weniger als einer Atomlage Au bei etwa 1000 K durchgeführt. Als nächstes wurde eine ultradünne Au-Schicht hinzugefügt. Die Au-Schicht übernimmt dabei zwei Funktionen: sie unterdrückt die Diffusion von Si und bewirkt die senkrechte Magnetisierung in ultradünnen Fe-Schichten. Diese Ergebnisse sind möglicherweise dafür verantwortlich, daß sich keine magnetisch toten Lagen an der Grenzschicht bilden. Die durch Ionenbeschuß gereinigten InP(001)-Substrate weisen eine P-reiche (2 × 4) rekonstruierte Oberfläche auf. Augerelektronenspektroskopiedaten belegen, daß die Fe-InP Durchmischung zu vernachlässigen ist. Die Stromspannungskennlinien von strukturierten Fe-Filmen auf n-InP(001) zeigen ohmsche Kontakte bei Raumtemperatur. Es wurde eine uniaxiale magnetische Anisotropie in ultradünnen Schichten gefunden, die auf die Grenzfläche und die Oberfläche des Fe-Films zurückzuführen ist. Aus dem Verhalten der Magnetisierung wird geschlossen, daß sehr wenige oder keine magnetisch tote Lagen an der Grenfläche zum Substrat vorliegen. Die dargestellten Resultate legen nahe, daß die Systeme Fe-Si und Fe-InP geeignete Kandidaten für Anwendungen in der Spintronik sind.

Spintronics has been greatly benefiting from the investigation of the ferromagnet-semiconductor interface. In this work, a study of the reconstructions of Si(001) and InP(001) surfaces, and the characterization of thin Fe films grown on these substrates are presented. To suppress Fe-Si reactions, a Au buffer layer was grown in two steps on (2 × 1) Si(001). First, a reconstruction of the Si(001) surface was performed by the deposition of less than one monolayer of Au at around 1000 K. Second, an ultrathin Au layer was added. It was found that the role Au plays is twofold: it hampers Si out-diffusion, and establishes the perpendicular magnetization in the Fe film. Accordingly, it was inferred that no magnetically dead layers form at the interface. The InP(001) substrates cleaned by ion bombardment showed a P-rich (2 × 4) reconstructed surface. Auger electron spectroscopy data revealed that Fe-InP intermixing is negligible. The current-voltage characterization of patterned Fe films grown on n-InP(001) showed non-rectifying contacts at room temperature. A uniaxial in-plane magnetic anisotropy was observed in ultra-thin films and the surface/interface contribution was assessed. From the magnetization behavior it was deduced that very small, if any, magnetically dead layers form at the interface. The presented results make the Fe-Si and Fe-InP systems good candidates for spintronic applications.