Limiter l’influence des états d’interface

Les résultats présentés précédemment utilisaient des jonctions tunnel

ferromagné-tiques déposées par pulvérisation cathodique magnétron. Les contraintes techniques de la

machine de dépôt ne permettent pas de préparer les surfaces de Si et Ge. Nous avons alors

utilisé une technique de dépôt sous ultra-vide d’épitaxie par jets moléculaires (MBE

³

ou

épitaxie par jet moléculaire EJM).

Cela nous a permis en particulier de préparer in-situ sous ultra-vide l’interface entre

l’oxyde et le substrat semi-conducteur. En effet, afin de limiter la densité de défauts

d’interface, nous avons désoxydé et reconstruit la surface de silicium (2×1) avant le

dé-pôt de l’oxyde. Ceci permet de limiter le nombre de liaisons pendantes en surface qui

peuvent être à l’origine de certains défauts d’interface. Le procédé est détaillé dans la

partie 3.2.2.2.

Dans notre cas, la résistance de jonctions tunnel ferromagnétiques déposées par MBE

est plus faible que celle des jonctions déposées par pulvérisation. La figure 4.19 montre

une comparaison des résistances des jonctions tunnel ferromagnétiques. La valeur duRA

du dépôt par pulvérisation varie de 1,84×10

⁷

Ω.µm

²

(2 K) à 1,36×10

⁷

Ω.µm

²

(tem-pérature ambiante) et pour le dépôt par MBE, le RA varie de 6,15×10

⁷

Ω.µm

²

(2 K)

à 1,93×10

⁷

Ω.µm

²

(température ambiante), ce qui représente des variations en

tem-pératures faibles. De plus, la variation de la jonction tunnel FM déposée par MBE en

température est clairement linéaire. De la même manière que pour les autres substrats,

(a) (b)

0 100 200 300 1,0 1,2 1,4 R A ( T ) / R A ( 3 0 0 K ) Température (K) 1 2 3 SOI n dépôt MBE SOI n dépôt pulvérisation SOI n dépôt pulvérisation SOI n dépôt MBE

Figure 4.19 – (a) Dépendance de la résistance de la jonction tunnel multipliée par son

aire en fonction de la température et en fonction du procédé de dépôt.(b) Dépendance du

RA par le RA à 300 K en fonction de la température et en fonction du procédé de dépôt.

l’échantillon préparé par MBE a été mesuré en fonction de la température et de la tension

appliquée sur la jonction. Depuis 2 K jusqu’à la température ambiante, un signal a pu être

mesuré et extrait comme il est reporté dans la figure 4.20 (a) pour une tension de bias

fixe de 0,12V. La première observation est la différence de variation en température de

l’amplitude du spinRA pour les deux types de jonctions tunnel. Contrairement auxRA,

pour le signal de spin, c’est la jonction déposée par pulvérisation qui présente le plus de

variation de près d’un ordre de grandeur entre 2 K et la température ambiante. Dans le cas

de la jonction déposée par MBE, le facteur est uniquement de 2,5. La dépendance du

si-gnal de spin suivant la méthode de dépôt et la température est conforme aux observations

par Dashet al.[15] après traitement au Cs d’une surface de silicium, ce qui démontre la

diminution des états d’interface grâce à la reconstruction de surface de silicium

Pour le temps de vie de spin, la tendance semble moins nette pour le dépôt par MBE

comme le montre la figure 4.20 (b). Malgré tout, un temps de vie de spin de 160 ps a pu

être mesuré ce qui est près du double du temps de vie extrait sur les dispositifs déposés par

pulvérisation. Cependant il reste encore beaucoup trop faible en comparaison des valeurs

Tableau 4.5 –Résumé des signaux de spin extraits à 2 K et à température ambiante pour

les deux substrats de SOI dopés n mais avec des jonctions tunnel déposées par

pulvérisa-tion et par MBE.

Silicium SpinRA

_exp

SpinRA

_tho

SpinRA

_exp

/

(Ω.µm

²

) (Ω.µm

²

) SpinRA

_theo

LT RT LT RT LT RT

SOI n 25×10

³

2,5×10

³

130 15 ≈200 ≈160

(dépôt pulvérisation)

SOI n 7,2×10

³

3×10

³

130 15 ≈55 ≈160

(dépôt MBE)

attendues.

(a) (b)

Figure 4.20 – (a) Signaux de spin extraits des effets Hanle mesurés en fonction de la

température pour le SOI n déposé par pulvérisation (symboles pleins) et par MBE

(sym-boles vides). (b) Temps de vie de spin extraits dans les mêmes structures avec la même

convention de symboles.

Si l’on ajoute l’échantillon déposé par MBE au tableau de comparaison des amplitudes

de signal de spin avec le modèle diffusif (tableau 4.5), on obtient le nouveau tableau 4.5

qui illustre une vraie différence entre les méthodes de dépôt sur un même substrat. Dans le

cas de la jonction tunnel déposée par pulvérisation, on observe une différence d’un ordre

de grandeur entre le signal à basse température et à température ambiante. Ce qui permet

de diminuer de manière conséquente l’écart avec le modèle diffusif. Par contre, dans le

cas de l’échantillon fabriqué par MBE, l’écart avec le modèle diffusif est en proportion

plus faible à basse température. La dépendance du signal de spin suivant la tension de

bias donne des informations complémentaires importantes. On remarque clairement en

figure 4.21(a) une amplification beaucoup plus importante sur la jonction déposée par

pulvérisation en comparaison du signal de spin mesuré sur la jonction tunnel déposée

par MBE. A l’image du GOIn et de sa dépendance en température, la diminution de

l’influence des états d’interface a pour conséquence dans le SOI n de diminuer fortement

la dépendance du signal de spin avec la tension de bias.

Le temps de vie de spin est peu modifié suivant la méthode de dépôt de la jonction tunnel

comme le montre la figure 4.21(b). En figure 4.21 on compare la dépendance du signal

de spin (c) et du temps de vie de spin (d) à 2 K et à température ambiante en fonction de

la tension de bias appliquée. Il est clair que la dépendance en tension à basse température

est bien plus importante qu’à température ambiante. Concernant le temps de vie de spin,

il n’est pas modifié pour les deux températures. Par contre, l’application d’une tension

positive forte double sa valeur.

(a) (b)

-0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 40 80 120 160 200 240 s f ( p s ) Tension (V) SOIn MBE SOIn Sputtering T= 2 K

(c) (d)

-0,2 0,0 0,2 80 100 120 140 160 180 s f ( p s ) Tension (V) SOIn MBE 2K SOIn MBE 295K

Figure 4.21 – (a) Dépendance du signal de spin à 2 K en fonction de la tension d’injection

pour les deux méthodes de dépôt de la jonction tunnel FM. (b) Dépendance similaire pour

le temps de vie de spin. (c) Dépendance du signal de spin à 2 K et température ambiante

en fonction de la tension d’injection sur l’électron FM pour un échantillon préparé par

MBE (d) Dépendance du temps de vie de spin en fonction de la tension d’injection sur

l’électron FM pour le même échantillon.

Toutes ces informations, extraites des mesures d’injection de spin sur un échantillon

déposé par MBE convergent toutes dans le même sens, à savoir, la préparation de surface

permet de diminuer la présence d’états d’interface. En conséquence l’amplification du

si-gnal de spin est réduite à basse température comme le montre la figure 4.19, ainsi qu’à

basse tension appliquée comme le montre la figure 4.21(c). De même, le temps de vie de

spin est proche de 200 ps à forte tension positive, ce qui est plus important que dans le

cas d’une surface non-traitée.

Enfin, il ne faut pas oublier que l’aire de l’électrode est évalué en supposant un effet tunnel

homogène sur toute la surface de l’électrode FM or des points chauds peuvent fausser la

valeur de cette aire d’injection. Si on suppose l’origine de l’amplification résiduelle, qui

est d’un facteur 160 entre le SpinRA expérimental et théorique à température ambiante,

par une erreur sur l’aire effective d’injection du courant tunnel polarisé alors cela

cor-respond à une aire effective d’injection de 12×33µm

²

au lieu de 150×400 µm

²

. Cette

hypothèse et l’activation thermique expliquerait aussi pour quelle raison on mesure une

différence entre le signal théorique et expérimental plus forte à basse température dans le

cas des jonctions tunnel par MBE. Des mesures complémentaires sont nécessaires pour

affirmer qu’une telle différence d’aire d’injection effective est réaliste dans nos systèmes.

Ces mesures laissent entrevoir des éléments pour empêcher le confinement des spins

in-jectés dans les états d’interface. Outre la préparation de surface qui diminue la densité

d’états, la mesure des signaux à haute température et/ou forte tension appliquée permet

d’améliorer le couplage entre les états d’interface et le semi-conducteur ce qui diminue le

temps de résidence dans ces états et donc l’amplification du signal de spin. Concernant le

temps de vie de spin, il reste faible puisqu’il correspond à une valeur limite basse due aux

effets de champs dépolarisants qui, malgré le dépôt par MBE, restent présents.

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 111-115)