Les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMSs)

Durant longtemps, on ne connaissait que certains semi-conducteurs ferromagnétiques, parmi lesquelles on peut citer les chalcogénures à base d'europium EuO et EuS [48] ou le chrome de

structure spinelle CdCr2S4 et CdCr2Se4 [49]. Ils sont composés d'une concentration

suffisamment importante d'atomes magnétiques répartis dans un réseau périodique et formant avec les atomes de la matrice un réseau cristallin bien déterminé [50]. Ces matériaux ne sont en général ni compatibles avec les semi-conducteurs usuels les plus utilisés dans l’industrie telle que le Si ou le GaAs. (Figure I.8.a).

En outre, ce type de matériaux se caractérise par une température de Curie très basse, spécifiquement inférieur à 200 K et donc leurs réalisations dans le domaine des technologies des semi-conductrices avancées sont extrêmement limitées.

Les semi-conducteurs magnétiques dilués représentent alors une solution permettant de surmonter ces difficultés. Les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) [51] sont des matériaux qui associent à la fois des caractéristiques liées aux spins et semi-conductrices.

Ils sont définis par Furdyna [52] comme des alliages de semi-conducteurs dans lesquels une partie de la maille est remplacée par des atomes magnétiques de substitution.

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Les DMS, également connus sous le nom de semi-conducteurs semi-magnétiques, sont des semi-conducteurs traditionnels (II-VI, IV-VI, III-V et IV) dans lesquels une fraction des cations non-magnétiques du semi-conducteur hôte est substituée de manière aléatoire par des ions magnétiques ayant une couche 3d ou 4f partiellement remplie (Figure II.8 c).Ce type de matériaux favorables de générer lieu à des applications doit être ferromagnétique à température ambiante.

Le terme "dilué" signifie que les éléments de la fraction magnétique du matériau sont dilués dans la fraction semi-conductrice. Il est donc possible de réaliser des semi-conducteurs possédants des propriétés magnétiques fortement couplées aux des propriétés électroniques, et c'est cette combinaison des intérêts de la microélectronique et des perspectives de l'électronique de spin qui a donné naissance à de nouveaux dispositifs dotés de fonctionnalités optiques, électroniques et magnétiques.

Figure I.8 : Différents types de semi-conducteurs :(a) matériau ferromagnétique,(b)semiconducteur non-magnétique et (c) : DMS. Le dopage est fait par substitution (d’après H. Ohno) [53]. Le caractère HMF est considéré comme une source importante de supports d'injection de spin pour la spintronique, mais la structure électronique du DMS combine à la fois des caractères métalliques et semi-conducteurs, qui se comportent de manière métallique dans un canal de spin et une bande interdite à la niveau de Fermi dans la direction du spin opposée [23] ,et donc le DMS montre une caractéristique HMF [54].

Les recherches actuelles portent sur deux axes : d’une part, augmenter la température de Curie en améliorant la qualité d’un matériau donné, ou en cherchant des matériaux plus favorables ;

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d’autre part, apprendre à fabriquer des composants élémentaires de l’électronique de spin à partir des semi-conducteurs magnétiques dilués actuels.

I.3.2 Les différents groupes de DMS

Nous pouvons identifier plusieurs familles de semi-conducteurs magnétiques dilués en fonction de leur matrice semi-conductrice hôte. Les DMS basés sur les semi-conducteurs II-VI et IV-VI ont été les premiers à être étudiés, tandis que les semi-conducteurs magnétiques des groupes III-V et IV ont été étudiés plus récemment.

 Les DMS à base des semi-conducteurs IV-VI

Les semiconducteurs composés IV-VI sont formés par des éléments du groupe IV, des éléments Ge, Sn et Pb et VI-group, S, Se et Te.

Les semiconducteurs magnétiques dilués de la famille IV-VI possèdent une plus élevée densité de porteurs ce qui renforce les interactions d'origine ferromagnétique sur celles d'origine antiferromagnétique.

Depuis 1986, la possibilité de contrôler l'apparition d'une phase ferromagnétique par la

densité de la porteuse est confirmée dans le Pb1-x-ySnxMnyTe [55]. Cependant, ces matériaux ne sont

pas adaptés à ceux employés dans l'électronique actuelle en raison de leur structure cristallographique différente.

 Les DMS à base des semi-conducteurs IV

Les semi-conducteurs IV (Si, Ge) ont été les derniers à investir le champ d'études des semi- conducteurs magnétiques dilués. La compatibilité avec la technologie à base silicium on en fait des candidats privilégiés pour leur abondance et coûts d’exploitation bas. Leur sous-représentassions dans le monde des DMS tiennent probablement aux difficultés à y étudier la polarisation en spin des porteurs par des moyens optiques à cause des gaps indirects du silicium et du germanium. De plus, l'utilisation des semi-conducteurs IV a généralement pour conséquence la formation de composés métalliques (siliciures, germaniures). Depuis quelques années, plusieurs groupes ont reporté la présence de phases ferromagnétiques. On peut noter les résultats obtenus sur le Ge dopé Mn [56] ou Cr [57], ou sur le SiC dopé Fe, Ni ou Mn [58].

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Les DMS à base des semi-conducteurs II-VI et III-V apparaissent plus intéressants pour leur intégration dans des hétérostructures semi-conductrices ; ils ont été examinés de façon intensive et font actuellement l'objet de plusieurs travaux.

 Les DMS à base des semi-conducteurs III-V

De nombreux travaux sont consacrés auxsemi-conducteurs magnétiques dilués DMS du type III-V. l’arséniure d’indium dopé au manganèse est le premier composé examiné en couche mince. Le groupe de H.Ohno a reporté en 1989 l’existence d’une phase homogène ferromagnétique [59], puis ils ont montré en 1992 que le ferromagnétisme était induit par les trous [60]. Ces deux publications ont encouragé de nombreux groupes à étudier les semi-conducteurs magnétique dilués du type III-V dopés Mn et notamment le composé Ga1-xMnxAs qui fait l’objet, depuis 1996, de

nombreuses publications expérimentales et théoriques.

Un autre DMS à base des semi-conducteurs III-V a fait naitre l’espoir de voir émerger de nouveaux matériaux pour le développement de l’électronique de spin. Au début des années 2000, Dietl et ses collaborateurs [61,62] prédisent une phase ferromagnétique à température ambiante pour le matériau GaMnN. L’étude des DMS dans ce type de matériaux est une voix qui donne l’espoir d’obtenir des températures de Curie souhaitables comme le montre la Figure I.9.

Figure I.9 : Températures de Curie calculées pour divers semi-conducteurs de type p contenant 5% du Mn et 3.5 1020 trous par cm3 (d’après Dietl et al. [62]).

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 Les DMS à base des semi-conducteurs II-VI

Les DMS II-VI, essentiellement tellurure et séléniure, dopés au manganèse, au fer ou au cobalt ont été intensivement étudies au cours des années 70-80. Les propriétés magnétiques de ces DMS II-VI sont dominées par les interactions de super-échange antiferromagnétiques entre les spins localisés. Ceci induit un caractère paramagnétique, antiferromagnétique ou verre de spin selon la concentration d’ions magnétiques incorporés. Les progrès des techniques de croissance et notamment le meilleur contrôle du dopage de ces semi-conducteurs ont permis de mettre en évidence une phase ferromagnétique induite par les porteurs (trous) itinérants [56].

Actuellement, les études se concentrent préférentiellement sur les propriétés magnétiques, électriques et optiques d’hétérostructures (par exemple puits quantiques) et sur les semi-conducteurs ferromagnétiques à température ambiante (Zn 1-xCoxO, Zn 1-xCrxTe) [14].

Les familles DMS à base des semi-conducteurs du type II-VI dont l’élément II est soit Cd soit Zn comme par exemple Cd1-x MnxTe et Zn1-x MnxTe [63,64], font aujourd’hui l’objet de nombreuses

publications. Beaucoup d’entre eux trouvent leurs applications dans différents dispositifs spintroniques. Mais récemment, un autre type des DMS (II-VI) est apparu et diffère des autres DMS (II-VI) par l’élément II qui est un semi-conducteur de la colonne IIA par exemple (Ba, Sr, Ca, Mg, … etc.). La majorité de ces matériaux semi-conducteurs cristallisent dans la structure zinc blende (B3) ou Rocksalt (B1) et peu dans les structures Wurtzite (B2) ou CsCl (B4). Depuis quelques années, les DMS ont fait l’objet de plusieurs études. Peu de travaux expérimentaux ont été réalisés sur ces matériaux, contrairement aux travaux théoriques publiés sur les matériaux tels que : MgTe dopé au Mn [65], BeX (X=Se, Te) dopé au Mn [66], BeY (Y= S, Se, Te) dopé au Mn à la concentration 25 % [67], MgSe dopé au V [68], MgX (X=Se, Te) dopé au Cr [69].