TMR- und TAMR-Effekt beim Tunneln durch einkristalline GaAs-Barrieren

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Transport von spinpolarisierten Elektronen über eine ideale Fe/GaAs-Grenzfläche untersucht. Die aufgrund der Präparationsmethode entstehende natürliche Oxidschicht auf der GaAs-Barriere wurde mit einer Wasserstoffplasma-Vorbehandlung reduziert, um damit die Grenzfläche bezüglich der Spininjektion zu optimieren. Außerdem wurde durch den Einsatz einer UHV-Transportkammer und bei mit Arsen abgedeckten Wafern eine epitaktische Fe-Schicht auf der Tunnelbarriere realisiert. Wird eine Vorbehandlung an beiden Grenzflächen von Fe/GaAs/Fe-Strukturen durchgeführt, so vergrößert sich der TMR-Effekt bei 4,2 K und 5 mV angelegter Spannung von ca. 1,3% auf etwa 5,6%. Im Jullière-Modell entspricht dies in etwa einer Verdopplung der Spinpolarisation auf 16,5%. An den beidseitig vorbehandelten Proben kann sogar bei Raumtemperatur noch ein ausgeprägter TMR-Effekt von ca. 1,55% gemessen werden, was im Jullière-Modell einer Polarisation von ca. 8,8% entspricht. Eine Analyse der Temperaturabhängigkeit der Polarisation mit dem Modell von Shang ergibt, dass bei Proben ohne Vorbehandlung die starke Temperaturabhängigkeit der Grenzflächenmagnetisierung in erster Linie für die Abnahme der Polarisation mit steigender Temperatur verantwortlich ist. Bei Proben mit Vorbehandlung spielt dagegen das Tunneln über spinunabhängige Kanäle eine wichtige Rolle. Während sowohl Proben mit natürlicher Oxidschicht an den Grenzflächen als auch Proben mit Wasserstoffplasma-Vorbehandlung einen Rückgang des TMR-Effekts mit steigender Spannung zeigen, ergibt sich bei den Proben mit einer epitaktischen Fe-Schicht ein deutlich verändertes Bild. Es hängt dabei nicht nur die Größe, sondern auch das Vorzeichen des TMR-Effekts von der am Tunnelkontakt angelegten Spannung ab. Es ergibt sich ein maximaler negativer TMR-Effekt von ca. -1,7% bei etwa 55 mV angelegter Spannung, der bei ca. �92 mV und +500 mV in einen positiven Effekt übergeht. Durch eine Vorbehandlung der zweiten, oxidierten Grenzfläche konnte der TMR-Effekt wiederum deutlich vergrößert werden auf ca. -4,2% bei 4,2 K und 55 mV ohne dabei den qualitativen Verlauf der Spannungsabhängigkeit des TMR-Effekts wesentlich zu beeinflussen. Es wird vermutet, dass für den spannungsabhängigen Vorzeichenwechsel des TMR-Effekts sowohl Bandstruktureffekte, als auch die Abhängigkeit der Transmission vom k-Vektor bzw. von k|| der tunnelnden Elektronen eine Rolle spielen. Voraussetzung für das Auftreten von Bandstruktureffekten und dem vollständigen Erhalt von k|| während des Tunnels ist ein epitaktisches System mit einer idealen Grenzfläche. Durch ein Tempern der epitaktischen Fe-Schicht bei 150°C wird sowohl die Größe als auch der spannungsabhängige Verlauf des TMR-Effekts stark beeinflusst. Während der negative TMR-Effekt etwas kleiner wird, ergibt sich mit maximal etwa 2,9% ein deutlich größerer positiver TMR-Effekt bei �100 mV. Allerdings ist der TMR-Effekt bei allen Proben kleiner als man von theoretischer Seite für das epitaktische Fe/GaAs-System erwartet. Als mögliche Ursache werden Fe(GaAs)-Verbindungen diskutiert. Die dicke, mit Kobalt gepinnte, epitaktische Fe-Schicht zeigt eine vierzählige magnetische Anisotropie, die sich in der Form der in unterschiedliche Richtungen gemessenen TMR-Kurven widerspiegelt. Durch richtungs- und spannungsabhängige Messungen wird gezeigt, dass der TMR-Effekt von einem zweiten Effekt überlagert wird. Dieser wird Anhand von Proben mit nur einem magnetischen Kontakt als TAMR-Effekt identifiziert. Eine Variation des Magnetfelds in unterschiedliche Richtungen an Fe/GaAs/Au-Tunnelstrukturen führt zu einem TMR-ähnlichen Signal. Dessen Ursache liegt in der magnetischen Anisotropie der epitaktischen Fe-Schicht und im TAMR-Effekt, bei dem der Tunnelwiderstand von der Magnetfeldrichtung eines in-plane Magnetfelds abhängt. Der TAMR-Effekt, der erstmals mit einem konventionellen Ferromagneten nachgewiesen werden konnte, zeigt eine uniaxiale Anisotropie. Bei einem Magnetfeld von 0,5 T ergibt sich bei 88 mV angelegter Spannung in die [110]-Richtung ein um maximal 0,4% größerer Widerstand als in die [-110]-Richtung. Auch für den TAMR-Effekt zeigt sich für dessen Größe und Vorzeichen eine Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Als mögliche Ursache für den TAMR-Effekt wird eine anisotrope Spin-Bahn-Kopplung während des Tunnelprozesses diskutiert. Durch die Berücksichtigung der bekannten Dresselhaus-Spin-Bahn-Kopplung in der Barriere und einem phänomenologischem Bychkov-Rashba-Parameter alpha, mit dem die Spin-Bahn-Kopplung an der Fe/GaAs-Grenzfläche berücksichtigt wird, können die Messkurven sehr gut gefittet werden. Die Spannungsabhängigkeit lässt sich in dem Modell mit einer Spannungsabhängigkeit von alpha erklären. Anschaulich führt die Kombination von Dresselhaus-SOI und Bychkov-Rashba-SOI zu einem effektiven Magnetfeld, dessen uniaxiale Anisotropie sich in der Transmissionswahrscheinlichkeit widerspiegelt und zum TAMR-Effekt führt