Précédemment, nous nous sommes intéressés aux états localisés dans la barrière tun- nel qui ont été proposés pour être à l’origine d’un signal de MR dû au blocage de Pauli. Une seconde hypothèse consiste à s’intéresser à la bande de défauts confinés à l’interface entre l’isolant de la barrière tunnel et le semi-conducteur. C’est l’objet de la suite de notre
étude en utilisant notamment la caractérisation de la capacité en fonction de la tension appliquée sur la jonction pour différentes températures et fréquences.
4.4.1
Le GeOI dopé n comme référence
La présence d’états d’interface a été proposés par Tran et al. pour expliquer l’am- plification de leur signal de spin dans le GaAs [39]. Ce modèle a été ensuite généralisé par Jansen et al. en 2012 [85] en introduisant deux canaux de conduction : l’effet tunnel direct au travers de la barrière et l’effet tunnel séquentiel sur les états d’interface. Simul- tanément, des mesures sur le germanium dopé n ont montré que ce dernier présentait des états d’interface pouvant expliquer l’amplification du signal de spin [17, 41].
On peut citer 3 principaux éléments démontrant la présence d’états d’interface pour le
Figure 4.16 – Dépendance du signal de spin suivant la tension de bias sur la jonction tunnel ferromagnétique appliquée et suivant la température.
germanium dopé n.
— Le premier élément concerne l’injection électrique de spin. A faible température (T<150 K), l’amplification du signal et sa variation en tension de bias sont très im- portantes comme le montre la figure 4.16. Par contre, à plus hautes températures l’énergie thermique est suffisante pour supprimer le confinement des états d’inter- face qui sont alors couplés au canal du semi-conducteur. Dans ce cas, le signal de spin expérimental extrait correspond au signal de spin attendu par le modèle diffusif et la variation suivant le bias est bien plus faible qu’à basse température.
— Le deuxième élément concerne l’effet de la tension de grille en face arrière sur les substrats de GeOI [121]. A faible température, on observe une variation impor- tante des paramètres électroniques par l’application d’une tension de grille de -50 V, c’est à dire une diminution du nombre de porteurs et donc une augmentation de la résistivité du canal. Le rapport ∆ R
R(0V ) =
R(−50V )−R(0V )
dans le silicium et germanium
du canal de Ge-n entre les deux contacts ohmiques, évolue de +62,8% à 10 K et seulement de +21,9% à 300 K. Cependant le signal de spin à 10 K n’est pas modifié par l’application de la tension de grille et par la modification de la résistivité du canal correspondante. En revanche, à température ambiante, on observe une varia- tion claire du signal de spin avec l’application de la tension de grille. Finalement, l’accumulation de spin à 10 K n’est pas localisée dans le canal du semi-conducteur mais plutôt dans les états d’interface, qui ne voient pas leurs propriétés électriques modifiées par l’application de la tension de grille sur le canal du semi-conducteur. — Enfin une expérience de spin pumping sur ces systèmes est présentée dans la sec-
tion 6.1 de ce manuscrit et démontre aussi le confinement des spins dans les états d’interface à basse température.
4.4.2
Évidence des états d’interface dans Si et Ge
Afin de vérifier la présence d’états d’interface dans les différents substrats utilisés, nous avons utilisé des mesures de capacité en fonction de la tension de bias (C(V )) appliquée sur la jonction tunnel ferromagnétique. Cette technique permet d’étudier la présence de défauts localisés dans la barrière ainsi que d’extraire les profils de défauts d’interface dans les structures avec une barrière tunnel [122].
Les dispositifs utilisés pour cette étude sont représentés sur la figure 4.17. La forme circulaire des contacts a été étudiée afin d’homogénéiser sur l’aire du dispositif les lignes de courant. Les mêmes jonctions tunnel ferromagnétiques utilisées pour l’injection électrique de spin sont utilisées pour les mesures C(V). Le principe de mesure consiste à faire varier la tension de bias oscillante sur la jonction tunnel en mesurant l’impédance, cette mesure est répétée pour plusieurs fréquences et à différentes températures.
La réponse en fréquence met en jeu les temps de réponse des différentes entités du système : défauts, bande de défauts, dopants, ... . L’ensemble des états d’interface forment un continuum d’états d’énergie dans la bande interdite du silicium auquel on peut associer la fonction Dit(Et) qui représente la densité des états à une énergie donnée. La capacité associée à cette bande de défauts, Cit, est l’association en parallèle de toute
les capacités de chaque états d’interface.
La réponse fréquentielle est caractéristique des états d’interface puisque sous l’excitation du signal de fréquence F, ce système doit être capable de capter et émettre des charges vers les bandes de conduction ou de valence du SC. On associe à ce phénomène un temps caractéristique τit. A basse fréquence, les états d’interface on suffisamment de
temps pour capter et émettre des porteurs puisque τit < 1/F. On mesure donc à basse
fréquence la signature des états d’interface par une déformation du signal aux tensions de bias où s’expriment ces états. Par contre lorsque la fréquence devient trop élevée, τit > 1/F, les états d’interface n’ont pas le temps de réagir face au signal excitateur par
Entre les deux cas limites, la probabilité d’occupation des états d’interface décroît avec la fréquence [122].
Les substrats de silicium sont comparés au germanium n présentant des états d’interface.
Figure 4.17 – Dispositif utilisé pour les mesures de capacité en fonction de la tension et de la fréquence d’excitation.
Par ailleurs une dépendance en température permet d’étudier l’activation thermique des porteurs vis-à-vis du confinement des états d’interface. La figure 4.18 résume les résultats sur les différentes structures.
Si l’on s’intéresse premièrement à la dépendance en fréquence à basse température. On observe une signature de la présence d’états d’interface pour tous les substrats sur la figure 4.18 (GeOI n (a), SOI n (c), SOI p (e)). Cette déformation du signal à faible tension de bias disparaît pour des fréquences d’excitation plus hautes (≈ 1MHz) en effet, les états d’interface n’ont pas le temps de répondre au signal excitateur. Ce comportement est généralisable aux trois substrats et à plus haute température, l’activation thermique tend à supprimer le confinement des états d’interface. Alors le comportement en fréquence du signal C(V ) est modifié comme on peut le voir sur la figure 4.18 et la déformation carac- téristique à faible tension de bias due aux états d’interface n’est plus visible. Cependant une dépendance en fréquence reste présente qui démontre que le déconfinement n’est peut-être que partiel.
dans le silicium et germanium
Figure 4.18 – (a) Mesures de capacité-tension C(V) en fréquence du GeOI-n à 50 K et (b) à 175 K. (c) Mesures de capacité-tension C(V) en fréquence du SOI-n à 40 K et (d) à 295 K. (e) Mesures de capacité-tension C(V) en fréquence du SOI-n à 75 K et (f) à 295 K