L’introduction de fonctionnalit´es magn´etiques dans les semi-conducteurs

les semi-conducteurs

Au cours des quinze derni`eres ann´ees, un effort de recherche consid´erable a ´et´e consacr´e `a l’´elaboration de mat´eriaux combinant des propri´et´es semi-conductrices et ferromagn´etiques dans le but d’exploiter le spin ´electronique pour traiter et transporter l’information. [1] L’approche qui a ´et´e privil´egi´ee pour avoir des propri´et´es ferromagn´etiques dans les semi- conducteurs est l’introduction d’une faible quantit´e (quelques pourcents) d’impuret´es magn´e- tiques (Mn, Fe, Co,...) dans des semi-conducteurs. [2] Toutefois, le succ`es de cette approche reste mitig´e. En effet, malgr´e des calculs th´eoriques qui ont pr´edit la pr´esence de ferro- magn´etisme `a la temp´erature de la pi`ece dans certains compos´es semi-conducteurs comme le ZnO et le GaN [3], l’ars´eniure de gallium dop´e au mangan`ese (GaMnAs) est le semi- conducteur magn´etique dilu´e (dilute magnetic semiconductor, DMS) qui poss`ede la plus haute temp´erature de Curie mesur´ee, soit 185 K [4], ce qui est beaucoup trop faible pour en- visager des applications `a la temp´erature de la pi`ece. L’une des difficult´es reli´ees `a ce d´efi est la limite de solubilit´e des ions magn´etiques qui donne lieu `a la formation de nanopr´ecipit´es riches en ion magn´etique. Plus r´ecemment, plusieurs groupes de recherche ont rapport´e la pr´esence de ferromagn´etisme `a la temp´erature de la pi`ece dans des DMS `a base d’oxyde (HfO2, TiO2, In2O3 et ZnO dop´e C). Toutefois, ce ferromagn´etisme, dont l’origine est encore

mal comprise, est instable dans le temps et pose des probl`eme de reproductibilit´e. [5] Dans ce contexte, l’introduction de nanoagr´egats ferromagn´etiques coh´erents dans une ´epicouche semi-conductrice de type III-V (SC:FM) s’av`ere l’un des moyens les plus promet- teurs d’introduire le ferromagn´etisme `a la temp´erature de la pi`ece dans la technologie des semi-conducteurs. [6] En effet, la temp´erature de Curie du mat´eriau d´epend alors des pro- pri´et´es magn´etiques intrins`eques du nanoagr´egat tandis que les compos´es semi-conducteurs III-V sont int´eressants en raison de leur compatibilit´e avec la technologie des couches minces semi-conductrices. De plus, il a ´et´e d´emontr´e que ces mat´eriaux granulaires SC:FM poss`edent des propri´et´es magn´eto-optiques et galvanomagn´etiques int´eressantes pour le d´eveloppement de fonctionnalit´es. Entre autres, un effet Faraday g´eant a ´et´e mesur´e dans le GaAs:MnAs [7]

et le GaP:MnP [8], ce qui est prometteur pour le d´eveloppement de dispositifs optiques int´egr´es sur un substrat semi-conducteur, comme un isolateur optique. Une large magn´eto- r´esistance a ´egalement ´et´e mesur´ee dans le GaAs:MnAs [9], ce qui permet d’envisager l’utili- sation de ces mat´eriaux granulaires pour le d´eveloppement de senseurs magn´etiques. Les ef- fets magn´eto-optiques et galvanomagn´etiques observ´es sont directement reli´es aux propri´et´es magn´etiques intrins`eques des nanoagr´egats et des param`etres structuraux et g´eom´etriques de ces mat´eriaux granulaires. Par exemple, le contrˆole de la position spatiale des nanoagr´egats ferromagn´etiques dans la matrice semi-conductrice permet d’envisager l’ajustement des effets galvanomagn´etiques d´esir´es. [10]

Les avanc´ees prometteuses des mat´eriaux granulaires SC:FM incitent `a explorer les diff´erentes combinaisons possibles de compos´es III-V et compos´es ferromagn´etiques. Le choix d’un syst`eme granulaire SC:FM particulier se fait en consid´erant plusieurs facteurs tel que la fonctionnalit´e d´esir´ee (magn´eto-optique, galvanomagn´etique ou autre), les contraintes de fabrication du mat´eriau et les propri´et´es du compos´e III-V et du compos´e ferromagn´etique. Parmi la vari´et´e de compos´es III-V disponibles [11], nous remarquons que plus les atomes sont l´egers, plus la bande interdite est grande, ce qui est pertinent pour la conception des dispositifs optiques. Inversement, plus les atomes sont lourds, plus la mobilit´e est grande, ce qui est d´esir´e pour les applications micro´electroniques. Le choix du compos´e III-V se fait donc en partie en fonction de l’application vis´ee.

Afin d’obtenir un mat´eriau granulaire SC:FM, nous devons introduire, lors de la fa- brication, un ´el´ement qui permet la cr´eation d’un compos´e ferromagn´etique. Les m´etaux de transition (comme par exemple, Mn, Co, Fe, Ni,...) sont les plus susceptibles de cr´eer un compos´e ferromagn´etique avec un ´el´ement du compos´e III-V car leur derni`ere couche ´electronique n’est pas remplie. Dans la tr`es grande majorit´e des ´etudes rapport´ees dans la litt´erature, les proc´ed´es de fabrication de ces mat´eriaux granulaires favorisent la cr´eation de nanoagr´egats compos´es d’un atome magn´etique (g´en´eralement un m´etal de transition) et de l’´el´ement V de la matrice semi-conductrice. [12–19] Parmi les diff´erentes combinaisons possibles m´etal de transition-´el´ement V, les compos´es `a base de Mn, soit MnP, MnAs, MnSb et MnBi, sont parmi ceux qui sont ferromagn´etiques `a la temp´erature de la pi`ece (MnN ´etant antiferromagn´etique).

Dans le Tab. 1.1, les propri´et´es structurales, ´electriques et magn´etiques des compos´es ferromagn´etiques `a base de Mn sont r´esum´ees (tir´e de la r´ef. [20]). Nous remarquons que plus l’atome X est lourd, plus la temp´erature de Curie, le moment magn´etique par atome de Mn et la conductivit´e sont ´elev´es. Notons que le MnP poss`ede une anisotropie magn´etocristalline biaxiale, contrairement aux autres compos´es qui poss`edent une anisotropie magn´etocristalline uniaxiale. En effet, le MnP est le seul compos´e qui poss`ede une maille orthorhombique

Tableau _{1.1 Propri´et´es structurales, ´electriques et magn´etiques des compos´es ferro-} magn´etiques MnX o`u X = P, As, Sb et Bi, tir´ees de la r´ef. [20]. Les valeurs de K1 et ρ

ont ´et´e obtenues `a la temp´erature de la pi`ece sauf indication contraire.

Compos´e MnP MnAs MnSb MnBi

Structure Orthorhombique Hexagonale Hexagonale Hexagonale cristalline

Temp´erature 291 318 587 628

de Curie TC (K)

Moment magn´e-

tique par atome 1.29 3.4 3.57 3.8

de Mn µ (µB) Constante d’anisotropie 1.35 (77 K) -1.2 (77 K) -0.06 1.63 K1 (MJ/m3) R´esistivit´e ρ 200 100 80-120 50 (µΩ.cm)

dans la phase ferromagn´etique (les autres sont hexagonaux). De plus, ces compos´es sont particuli`erement int´eressants car ils poss`edent des champs d’anisotropie magn´etocristalline tr`es ´elev´es, ce qui est l’analogue d’avoir un champ magn´etique effectif interne tr`es fort qui est appliqu´e naturellement dans le compos´e.