Détermination du rôle des défauts localisés dans la barrière tunnel

barrière tunnel

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 (IETS

²

) 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

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] :

d

²

I

dV

2

=−

dI

dV

3

×^d

2

V

dI

2

(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 courbeI(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.een 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 créad’amplifica-tion de défauts

diminue le RA de la jonction (de 8,4×10

⁶

kΩ.µm

²

à 1,4×10

³

kΩ.µm

²

) 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

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 Deryet al.et

les preuves expérimentales de Txoperanaet 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.

Dans le document Étude de l'injection et détection de spin dans le silicium et germanium : D'une mesure locale de l'accumulation à la détection non locale du courant de spin (Page 104-107)