Comme nous l’avons vu précédemment, les mesures d’effet Hanle sur nos échan- tillons de silicium et germanium montrent une amplification du signal de spin à l’origine de la controverse. Plusieurs pistes d’explication ont été explorées sur nos échantillons. Actuellement, dans la littérature, beaucoup de publications adhèrent à une origine des signaux de MR liée à des défauts localisés dans la barrière tunnel. Nous avons décidé dans un premier temps de focaliser notre attention sur les échantillons de silicium et de discuter de l’hypothèse de signaux de MR ou d’une amplification du signal de spin provenant de défauts localisés dans la barrière tunnel, pour cela nous avons utilisé une technique complémentaire de spectroscopie par effet tunnel inélastique.
4.3.1
Contrôle de la présence de défauts localisés
Pour déterminer le rôle des défauts localisés, j’ai utilisé la technique de spectroscopie par effet tunnel inélastique (IETS2) sur les échantillons à 3 contacts afin de sonder la présence des défauts. Lorsqu’il y a des défauts dans l’oxyde d’une barrière tunnel, il y a une forte probabilité pour que l’effet tunnel soit inélastique [118, 119] : l’énergie du porteur est modifiée, ce qui se traduit sur la mesure de courant en fonction de la tension (I(V )) par une modification fine de la pente donc de la conductance. Afin d’amplifier l’effet, on utilise un signal excitateur alternatif à une fréquence de 931Hz et on mesure la tension à la même fréquence grâce à un lock-in. Le principe de la mesure est illustré sur la figure 4.13, le signal détecté sur le lock-in à la fréquence d’excitation correspond à la dérivée première et grâce à la seconde harmonique on obtient la dérivée seconde
dans le silicium et germanium
du courant en fonction de la tension. Expérimentalement, nous avons utilisé une source
Figure 4.13 – Principe de la mesure de la spectroscopie par effet tunnel inélastique. L’effet tunnel via une barrière contenant des défauts est principalement inélastique.
de courant plutôt qu’une source de tension et une détection synchrone de tension. Une conversion du signal est donc nécessaire suivant la formule [118] :
d2I dV2 = − dI dV 3 ×d 2V dI2 (4.8)
Les mesures ont été réalisées à 2 K pour limiter le bruit thermique et avoir une meilleure résolution en énergie. Nous observons deux types de signaux sur nos structures qui sont résumés en figure 4.14 : d’une part un premier signal avec une forme plutôt parabolique et d’autre part un second signal qui marque la présence d’un pic à faible bias. Il a été plus fréquent de détecter un signal parabolique sur les substrats de SOIp et le second type de signal sur le SOIn. On associe la présence du pic à faible bias à un type de défauts qui sont localisés dans la barrière tunnel. Le germanium dopé n a été ajouté pour comparaison car il a d’ores et déjà été démontré la présence et l’influence d’états d’interface dans ce système [41]. Dans ce cas, aucun pic associé à des défauts n’est observable à faible tension.
Peu d’études ont utilisé cette méthode de caractérisation sur les dispositifs à 3 terminaux. Seuls les travaux de Tinkey et al. [120] et de Inokuchi et al. [119] s’appuient sur cette méthode. Mais, dans notre cas, en plus de l’observation de ces défauts, nous avons pu contrôler leur présence dans la barrière. En effet, les dispositifs présentant la première forme de signal (signal parabolique) ont été soumis à un stress électrique, c’est-à-dire
Figure 4.14 – (a) Spectroscopie tunnel inélastique pour le silicium dopé n avec et sans défauts créés par stress électrique. Même chose pour le SOI dopé p (b) et pour le GeOI-n (c). Tous les spectres ont été mesurés à 2 K.
à l’application d’un courant toujours plus fort jusqu’à obtenir une modification non réversible de la courbe I(V) de la jonction tunnel. En moyenne, les courants utilisés pour observer la non-réversibilité était de l’ordre de 40 à 50 mA. Les signaux IETS observés après stress électrique sont similaires au second type de signal et présentent alors un pic à faible tension de bias associé à la présence d’un type de défauts dans la barrière.
4.3.2
Effet Hanle et défauts dans la jonction tunnel
Grâce à la possibilité de créer des défauts dans la barrière tunnel, nous avons pu étudier l’impact sur le signal de spin de la présence de ces défauts dans la barrière tunnel pour le silicium dopé p et n. Pour cela, nous avons mesuré la dépendance en tension de bias (i.e en courant) à basse température des effets Hanle avec et sans défauts. La figure 4.15 résume les mesures d’effet Hanle avec le contrôle des défauts dans la barrière tunnel à 2 K. Les mêmes techniques d’ajustement présentées précédemment ont été utilisées pour extraire le signal de spin et le temps de vie de spin.
Plusieurs éléments peuvent être déduits de ces mesures :
— Premièrement, même dans le cas d’une structure sans défauts, une amplification du signal de spin est déjà observable.
— Ensuite, la création de défauts dans la barrière tunnel n’engendre pas d’amplifica- tion du signal de spin. A l’inverse, pour le silicium dopé p la création de défauts diminue le RA de la jonction (de 8, 4 × 106kΩ .µm2 à 1, 4 × 103kΩ .µm2) et ainsi diminue le signal de spin. Ceci peut être expliqué par une diminution de la polari- sation du courant tunnel à cause des défauts.
— Enfin aucune modification du temps de vie de spin n’est observée avec la création de défauts
dans le silicium et germanium
Figure 4.15 – (a) Dépendance du signal de spin et (b) du temps de vie se spin suivant la présence ou non de défauts dans la barrière tunnel pour une injection dans le SOI n à 2K. (c) et (d) mêmes mesures sur SOI p.
naturelle d’aluminium pour former de l’alumine. Ces procédés sont connus pour créer beaucoup de défauts dans l’oxyde en particulier des lacunes d’oxygène.
Il est important de préciser que des échantillons de référence sans couche ferromagné- tique (Cu/MgO/SOI et Cu/MgO/GeOI) ont été mesurés dans des conditions similaires sans présenter de signal de spin. Ceci est contradictoire avec le modèle de Dery et al. et les preuves expérimentales de Txoperana et al. sur leur structures, qui prédisent un signal provenant des défauts localisés même sans matériau FM [43].
En conclusion, dans nos structures sur les quatre substrats, le signal de spin ne peut pas être expliqué par la présence des défauts localisés dans la barrière tunnel alors qu’une amplification du signal de spin est présente avec ou sans défauts. Enfin, la création de défauts par stress électrique ne modifie pas significativement le signal de spin ou le temps de vie de spin.