Magnétorésistance géante et signal en configuration non locale . 119

La même méthode est appliquée pour les mesures sur le substrat de germanium dopé

n : on recherche dans un premier temps à détecter la magnétorésistance géante dans le

germanium.

Afin de mener une étude plus quantitative nous avons utilisé un courant continu pour la

mesure du signal de spin. Et pour obtenir un bon rapport signal/bruit, nous avons

accu-mulés des points à champ magnétique fixe. On a pu détecter un signal d’environ 2,5 mΩ

à basse température (2 K), avec un courant d’injection de -2 mA en continu dans une

structure avec un gap de 0,5µm comme on peut le voir en figure 5.13. Sachant que la

résistance dans l’état parallèle est de 8,80 Ω, on obtient une magnétorésistance plutôt

faible de 0,023 %. Cette valeur est éloignée de la valeur théorique de magnétorésistance

(a) (b)

-20 -10 0 10 20 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Forme 3 avec Elec/ani =45° Forme 3 avec Elec/ani =0° M y / M s a t µ 0 H ext (mT) -50 0 50 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 Forme 6 avec Elec/ani =45° Forme 6 avec Elec/ani =0° M y / M s a t µ 0 H ext (mT)

Figure 5.12 – (a) Dépendance du champ de renversement de l’électrode douce suivant

que l’électrode se trouve le long de l’axe d’anisotropie magnéto-cristalline (Θ=0) ou bien

à 45˚de ce dernier (Θ=45˚) (b) Même dépendance pour l’électrode dure.

prédite par le modèle de Fert et Jaffrès (voir figure 5.10(b)). Cependant, pour tracer la

courbe théorique de la figure 5.10(b), nous avons fait plusieurs hypothèses : modèle 1D

et diffusif du transport de spin, une polarisation en spin du courant tunnel de 0,56 et une

longueur de diffusion de spin de 1µm. Cependant, la nature du signal de GMR est

confir-mée par le cycle mineur en gris sur la figure 5.13. Cette fois-ci, la résistance des contacts

ohmiques est suffisamment faible (environ 100 Ω entre deux contacts ohmiques) pour

pouvoir mesurer en configuration non locale. Pour la même structure, à 10 K, nous avons

mesuré un signal non local sur une large gamme de courant :±20mA. La figure 5.14 (a)

montre la variation du signal non local de spin suivant le courant injecté dans la structure.

On rappelle la dépendance linéaire du signal de spin en fonction du courant :

∆V

_NL

=±¹

2^IP

^I

^P

^D

`

_{s f}

σ

_sc

S^R

SC s

exp

− ^x

`

_SF

(5.5)

avec S la section du film de germanium. Dans notre cas, on remarque une dépendance

linéaire (Fig. 5.14 (a)) jusqu’à ce que le signal semble saturer. Ce comportement a déjà

été observé dans une étude précédente et a été justifié par une dépendance à fort courant

de la polarisation en spin de l’effet tunnel [131]. Néanmoins la variation de résistance

en fonction du courant varie peu comme le montre la figure 5.14(b), ce comportement

est clairement différent des mesures sur les dispositifs à 3 terminaux qui montraient des

variations importantes de signaux.

La figure 5.15 montre en particulier les signaux non locaux qui sont renversés entre

l’in-jection (+20mA) et l’extraction (-20mA). Pour plus de clarté, la figure 5.15 est présentée

avec en ordonnées la variation de la tension en fonction de l’état magnétique. Une

va-riation de résistance de l’ordre de 2 mΩ est détecté pour un courant d’injection de±20

Figure 5.13 – Mesure de magnétorésistance géante à 2 K dans le germanium dopé n

avec un courant d’injection de -2 mA, avec l’aller (de champs magnétiques négatifs vers

positifs) en noir et le retour en vert. Un cycle mineur a été rajouté en gris.

(a) (b)

-20 -10 0 10 20 -60 -30 0 30 60 NL GOIn T = 2K V ( µ V ) Courant (mA) -20 -10 0 10 20 0 3 6 R ( m ) Courant (mA) NL GOIn T = 2K

Figure 5.14 – (a) Dépendance en courant du signal de spin non local à 2 K et pour un

gap de 0,5µm. (b) Magnétorésistance en fonction du courant appliqué.

mA. On observe des amplitudes de signaux pour la magnétorésistance géante et le non

Figure 5.15 – Mesures non locales à 2 K dans le germanium dopé n avec un courant

d’injection de +20 mA en gris et -20 mA en bleu.

locale comparables. Ce qui est contradictoire avec la théorie du modèle standard de

drift-diffusion. Pour autant des écarts importants on déjà été notifiés dans les semi-conducteurs

en particulier à cause de la composante non négligeable de drift [132]. Des mesures

com-plémentaires sont nécessaires pour comprendre les raisons de cet écart dans notre cas.

Ces premiers résultats sont mesurés à basse températures. Pour la suite de cette étude,

nous nous sommes intéressé aux signaux à température ambiante.

5.3.3 Signal de spin à température ambiante

D’après les mesures sur les dispositifs à 3 terminaux [41] et vu l’amplitude des

si-gnaux attendus théoriquement pour la GMR, on s’attend à mesurer un signal de spin à

température ambiante en raison du couplage entre les états d’interface et la bande de

conduction du semi-conducteur à température ambiante. Cependant, aucun signal de spin

n’a encore été mesuré dans le germanium à température ambiante avec des vannes de spin

latérales.

Dans notre cas, un signal important de magnétorésistance géante de 15 mΩ est mesuré

à température ambiante comme on peut le voir sur la figure 5.16 (a). Un courant de -2

mA a été appliqué sur une structure avec un gap de 200 nm. De plus, comme à basses

températures, les contacts ohmiques étaient peu résistifs et nous avons mesuré également

un signal clair en configuration non locale sur la même structure (voir fig 5.16 (b)).

(a) (b)

-100 -50 0 50 100 -15 -10 -5 0 GOIn GMR 295K I=-2mA R ( m ) µ 0 H ext (mT) Aller Retour -100 -50 0 50 100 0 5 10 15 GOIn NL 295K I=-2mA R ( m ) µ 0 H ext (mT) Aller Retour

(c) (d)

-100 -50 0 50 100 -15 -10 -5 0 GOIn Pseudo-NL 295K I=-2mA R ( m ) µ 0 H ext (mT) Aller Retour -100 -50 0 50 100 0 10 20 30 40 µ 0 H ext (mT) R ( m ) GOIn AMR 295K I=-2mA Aller Retour

Figure 5.16 – Mesures à température ambiante de l’injection électrique de spin dans

le germanium pour un échantillon avec une distance entre les électrodes de 200 nm. (a)

Signal de magnétorésistance géante. (b) Détection d’un pur courant de spin en

configu-ration non locale. (c) Signaux obtenus en configuconfigu-ration pseudo-NL. (d) Renversement de

l’électrode douce observé par le signal d’AMR..

Comme détaillé dans le chapitre 2.2.1.4, le signal pseudo NL (fig 5.16 (c)) qui permet

de s’affranchir d’un résistance de contact est mesuré en même temps que la GMR. Tout

comme le signal d’AMR, sur l’électrode douce, qui est mesuré en même temps que le

signal NL (fig 5.16(d) ce qui permet de démontrer clairement le premier renversement de

l’électrode douce. Toute ces mesures démontrent clairement un signal de spin à

tempéra-ture ambiante dans le germanium.

Et comme à basse température, nous avons aussi étudié la dépendance en courant des

signaux GMR et NL sur la même structure. On remarque la dépendance linéaire de ces

2 signaux en fonction du courant appliqué (fig. 5.17 (a)). En conséquence, le signal de

spin∆Rexprimé enΩ varie peu comme on peut le voir sur la figure 5.17(b). Avec toutes

(a) (b)

-12 -8 -4 0 4 8 -100

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 132-137)