Étude des états d’interface par des mesures de capacité-tension

^R⁽⁻⁵⁰_R^V₍₀⁾_V⁻₎^R⁽⁰^V⁾

Étude des états d’interface par des mesures de capacité-tension

capacité-tension

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 Jansenet 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

=

, oùR est la résistance

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’applicavaria-tion 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 mesuresC(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,C

, 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 τ

. A basse fréquence, les états d’interface on suffisamment de

temps pour capter et émettre des porteurs puisque τ

<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,

τ

>1/F, les états d’interface n’ont pas le temps de réagir face au signal excitateur par

conséquent il n’y a plus de signature des états d’interface dans le signal C(V) mesuré.

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.