EP1883932A1 - Injecteur local d'electrons polarises de spin a pointe en semi-conducteur sous excitation lumineuse - Google Patents

Injecteur local d'electrons polarises de spin a pointe en semi-conducteur sous excitation lumineuse

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EP1883932A1
EP1883932A1 EP06763243A EP06763243A EP1883932A1 EP 1883932 A1 EP1883932 A1 EP 1883932A1 EP 06763243 A EP06763243 A EP 06763243A EP 06763243 A EP06763243 A EP 06763243A EP 1883932 A1 EP1883932 A1 EP 1883932A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tip
spin
cantilever
light
gaas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06763243A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Daniel Paget
Jacques Peretti
Alistair Rowe
Georges Lampel
Bruno Gerard
Shailendra Bansropun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecole Polytechnique
Original Assignee
Ecole Polytechnique
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Filing date
Publication date
Application filed by Ecole Polytechnique filed Critical Ecole Polytechnique
Publication of EP1883932A1 publication Critical patent/EP1883932A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
    • G01Q60/04—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
    • G01Q60/08—MFM [Magnetic Force Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/14—Particular materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q80/00—Applications, other than SPM, of scanning-probe techniques

Definitions

  • the present invention relates to a local injector of spin polarized electrons using a semiconductor tip under light excitation.
  • Different methods based on local probe microscopy techniques, have been developed to probe surface magnetism and nanoscale thin films. [See M. Bode's review Spin-polarized scanning tunneling microscopy, Rep. Prog. Phys. 66, (2003), 523].
  • Near-field magneto-optical microscopy uses an optical probe. The results obtained so far show a resolution of several hundred nanometers.
  • Magnetic Force Microscopy is used to probe leakage fields near the surface of a system with a magnetic order. This technique, based on the measurement of the force induced by the leakage field on a magnetic tip, gives access (under certain conditions) to the domain structure. It is currently the reference technique for domain imaging in magnetic thin films with an optimal resolution of a few tens of nanometers.
  • the electrons are spin polarized if the light is circularly polarized (helicity ⁇ + or ⁇ " ) and if the light energy, with energy greater than the band gap Eg is also smaller than the sum Eg + ⁇ where ⁇ is the spin-orbit interaction energy
  • the available energy window ranges from 1.42 eV to about 1.70 eV at room temperature. mode of operation has a double advantage: on the one hand the average spin of the injected electrons is controlled by the helicity of the light and changes sign when this helicity goes from ⁇ + to ⁇ " .
  • IBM has developed the "Millipede", which consists of a matrix of cantilevers that allow both writing and reading. Following the promising results obtained, several variants of storage systems using local probe techniques have been proposed, (storage by heating, ferroelectric storage, etc.) but no local probe storage system seems to be necessary for the moment. .
  • the present invention relates to a local injector device spin polarized electrons semiconductor tip under light excitation that allows to easily change the spin polarization of the injected electrons and optimize the injection conditions without inducing parasitic absorption of the excitation light, which is easy to implement, with a spatial resolution comparable to or better than about one nanometer, this device giving access jointly and in a simple way to the topographic and magnetic information of the tested materials, without parasitic effects, and avoiding the disadvantages mentioned above magnetic tips.
  • the local electron injector device is an injector comprising a semiconductor tip fixed on a lever or cantilever and under light excitation, and it is characterized in that the light excitation is a polarization light beam. circular illuminating the face of the cantilever opposite to that on which the tip is formed and that the cantilever is a transparent material at the wavelength of the light beam.
  • the tip is subjected to a surface treatment in order to remove and avoid the re-formation of a surface layer of oxide and to improve the proportion of electrons injected.
  • FIG. 1 is a simplified diagram of a tip device disposed at the end of a cantilever according to the invention
  • FIG. 2 is a partial and enlarged view of the device of FIG. 1, used to explain the process of creation and transport of spin-polarized electrons, in accordance with the invention
  • FIGS. 3 and 4 are simplified diagrams showing two steps for producing a local electron injector device in accordance with FIG. the invention, FIG. 3 being seen in the "rear” face (face opposite to that on which the tip is formed), whereas FIG. 4 is seen in the "front" face, and
  • FIG. 5 is a simplified diagram of an experimental setup for testing a local electron injector device according to the invention.
  • a cantilever (a lever) 1 at the end of which is formed a tip 2.
  • This cantilever is of the type used in atomic force microscopy (AFM). This geometry allows the excitation of the tip by the light source. It also makes it possible to stabilize the tip / surface distance by detecting, in a manner known per se, the laser light reflected by the cantilever using a quadrant diode, and by measuring the deflection thereof.
  • AFM atomic force microscopy
  • the excitation light 3 illuminates the face of the cantilever 1 opposite that on which is formed the tip 2, substantially opposite the tip.
  • This light is a circularly polarized monochromatic light having, for example, a wavelength of between about 1.42 eV and 1.70 eV.
  • the cantilever is advantageously made of transparent material at the wavelength of the exciting light and which does not change its polarization.
  • a GaAs cantilever of lesser thickness or comparable to the absorption depth of the light (of the order of one micron)
  • One possible material is a Ga 1-x Al x As semiconductor alloy, provided that a sufficiently large concentration of aluminum x is chosen, greater than about 0.25-0.3. This choice simplifies the epitaxial growth of the tip.
  • T 1 * [Y 1 + T 1 "1 ] " 1 .
  • the time T 1 * is the life time of the spin, given the recombination with a lifetime ⁇ and the spin relaxation with a time T 1 .
  • the left side of the condition above indicates that the electrons are well created in the back area of the tip, which does not disturb the light field by the tip, and the surface of the sample. The right part indicates that the electrons diffuse to the end of the tip and that their spin is preserved.
  • the spin diffusion length is of the order of 5 ⁇ m, the above condition is verified if the tip has a length of 2 to 3 ⁇ m
  • the non-contact injection of photo-electrons towards a metal or semiconducting surface can be done according to several mechanisms whose relative importance depends on the applied voltage: i) conventional tunnel mechanism ii) high voltage photoemission above the tunnel barrier, iii) Fowler Nordheim mechanism (RH Fowler and L. Nordheim, Proc.Roy.Soc.London, 119, 173, (1928)). last mechanism, we increase the photocurrent injected by playing on the f ocalization of the electric field lines, that is to say choosing a sharper point
  • the realization of the cantilever-tip assembly is performed by combining mainly epitaxial steps (particularly selective) and deep etching.
  • the epitaxy of the tip is carried out on a substrate having on the surface an ad hoc epitaxial structure (making it possible to control the mechanical and opto-electronic properties of the cantilever, as specified above with regard to the materials that can be used for the cantilever) and covered with a mask in which holes (typically of micrometric dimensions) are open.
  • holes typically of micrometric dimensions
  • the most suitable technique for this kind of growth is hydride or chloride vapor phase epitaxy (ITVPE) and it is possible for example to make GaAs tips having a height and a width of a few microns on this technique.
  • an AlGaAs / GaAs substrate masked by silicon nitride or silica.
  • ITVPE chloride vapor phase epitaxy
  • anisotropic etching V. Cambel, D. Gregusova, and R. Kudela, J. Appl. Phys. 94, 4643, (2003)].
  • the realization of the cantilever requires on the one hand to eliminate all around it the substrate material, so to be able to engrave trenches in the substrate several hundred microns deep.
  • the initial thickness of the substrate may be limited (for example to 200 ⁇ m, which in the case of GaAs may be a good compromise between the mechanical strength of the cantilever block and the necessary etching time).
  • the use of an anisotropic etching technique with high etch rates is preferable.
  • the ICP (Inductively Coupled Plasma) technique is generally preferable to other usable techniques such as RIE (Reactive Ion Etching) ion etching techniques or chemical etching techniques.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • 3 and 4 is as follows: (These steps may define a number of identical sets, arranged on a massive slice of GaAs): 1) realization of a GaAs / GaAIAs / GalnP epitaxial structure on a GaAs substrate of thickness 200 ⁇ m, on what will be called the front face.
  • the thickness of the GaAlAs layer will be chosen between about 0.5 microns and a few microns, depending on the stiffness of the cantilever that is desired. A tunnel injection experiment requires the steepest cantilever possible, while an AFM contact-type experiment requires a weak, and therefore thinner, cantilever.
  • the thickness of the GaInP layer will be the thickness commonly chosen in stop layer etching processes.
  • FIG. 5 shows a test assembly of the injection device thus produced.
  • This assembly where the assembly 6 tip and cantilever is installed on a support 7, facing a sample 8, must allow to focus the light on a surface of the sample of a few microns in diameter, at a point that does not move during the scanning of the surface of this sample.
  • This condition can be achieved using two piezoelectric ceramic actuators. (See Figure 5)
  • the first ceramic 9 supports the cantilever and provides a movement parallel to the light axis (Oz) of the coherent light beam 10 illuminating the rear face of the cantilever.
  • the second ceramic 11, on which is fixed the sample 8 allows a displacement in the two perpendicular directions, Ox and Oy (in a plane perpendicular to the plane of the drawing), which allows to sweep the sample.
  • This assembly is compatible with use in ultra-vacuum, under air or under neutral gas, or electrochemical environment.
  • a hydrophobic liquid such as a polymer (polydimethylsiloxane for example) or a perfluorinated oil.
  • the electron injection tip is treated.
  • the treatment of the tip has a dual purpose. It is first necessary to remove the oxide layer that can prevent the appearance of a tunnel current. In addition, it is important to reduce the recombination at the surface which decreases the current of the electrons injected into the tip after photocréation at the rear thereof.
  • the tip can be treated with a solution of sulphide (sodium sulphide or ammonium sulphide for example).
  • sulphide sodium sulphide or ammonium sulphide for example.
  • hydrochloric acid in propanol, followed by introduction under vacuum in the absence of oxygen.
  • a simple chemical technique may allow use in a gaseous or liquid medium, which greatly simplifies the measurements [VL Berkovits, TV L'vova, VP UHn, "Procedure to obtain nitride films on surfaces of III-V semiconductors "patent of the Russian Federation 2168237 (2001)].
  • This method which consists of immersing the tip in a solution based on hydrazine (N 2 H 4 ), allows after a possible moderate annealing under vacuum to cover the tip of a very thin layer of nitrogen, with a thickness of the order of the monolayer. It has been shown that this technique decreases the surface recombination rate, and protects the surface for at least several months against oxidation.
  • the device of the invention makes it possible to perform imaging of the magnetic domains and the topography of the surface of thin layers by minimizing the injector / sample magnetic interaction, and this, in an ultra-high vacuum, liquid or gaseous environment. It can also be used for the study of spintronics in different materials by spin injection, or for the study of quantum structures and high density storage of information.
  • HI-V alloys for the lever makes it possible to adjust the thickness and therefore the stiffness of this lever without introducing light absorption.
  • a softer lever is generally better suited to AFM conditions while a steeper lever allows for better control of tip-to-substrate distance, since this distance is less dependent on the forces in between.
  • the tip is then usually GaAs.

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Abstract

L'invention consiste en un injecteur d'électrons polarisés en spin, utilisant une pointe semi-conductrice, dans laquelle les électrons injectés sont photo-créés par une excitation lumineuse polarisée circulairement, incidente sur l'arrière de la pointe. Cette pointe est supportée par un levier ou cantilever transparent, et subit un traitement de surface dans le but d'enlever et d'éviter la re-formation de la couche superficielle d'oxyde et d'améliorer la proportion d'électrons injectés.

Description

INJECTEUR LOCAL D'ÉLECTRONS POLARISÉS EN SPIN À POINTE EN SEMI-CONDUCTEUR SOUS EXCITATION LUMINEUSE
La présente invention se rapporte à un injecteur local d'électrons polarisés en spin utilisant une pointe en semi-conducteur sous excitation lumineuse. Différentes méthodes, basées sur les techniques de microscopie à sonde locale, ont été développées pour sonder le magnétisme de surface et de couches minces à l'échelle nanométrique. [Voir la revue de M. Bode Spin-polarized scanning tunneling microscopy, Rep. Prog. Phys. 66, (2003), 523].
La microscopie magnéto-optique en champ proche utilise une sonde optique. Les résultats obtenus jusqu'à présent montrent une résolution de plusieurs centaines de nanomètres.
La microscopie à force magnétique (MFM) permet de sonder les champs de fuite au voisinage de la surface d'un système présentant un ordre magnétique. Cette technique, basée sur la mesure de la force induite par le champ de fuite sur une pointe aimantée, donne accès (sous certaines conditions) à la structure en domaines. C'est actuellement la technique de référence pour l'imagerie de domaines dans les couches minces magnétiques avec une résolution optimale de quelques dizaines de nanomètres.
Plus récemment, des images du magnétisme à la résolution atomique ont été obtenues par microscopie tunnel polarisée en spin (SPSTM) en utilisant une pointe magnétique. Cette technique repose sur le fait que, dans des conditions adéquates de polarisation de la jonction tunnel, l'intensité du courant tunnel dépend de la configuration parallèle ou anti-parallèle des moments respectifs de la pointe et de la surface.
Les deux techniques de MFM et SPSTM à pointe magnétique, évoquées ci-dessus, ont ouvert de vastes possibilités d'étude du magnétisme à l'échelle nanométrique. Cependant, ces techniques souffrent d'une limitation liée à l'utilisation d'une pointe magnétique qui interagit avec la surface étudiée et peut en modifier significativement les propriétés magnétiques locales.
Une application possible de l'injecteur d'électrons est l'imagerie du magnétisme avec une pointe de GaAs. Il a été proposé il y a plusieurs années d'injecter des électrons polarisés en spin, générés par une excitation lumineuse dans une pointe semi-conductrice. Cette idée est contenue dans le brevet de
Alvarado et al, « Spin Polarized Scanning Tunneling Microscope », Brevet Européen 0 355 241, 1990, dont un aspect intéressant est décrit dans la figure 4. Les électrons sont polarisés en spin si la lumière est polarisée circulairement (hélicité σ+ ou σ") et si l'énergie lumineuse, d'énergie supérieure à la bande interdite Eg, est en outre inférieure à la somme Eg + Δ où Δ est l'énergie d'interaction spin-orbite. Pour GaAs, la fenêtre d'énergie disponible va de 1.42 eV à environ 1.70 eV à température ambiante. Ce mode d'opération a un double avantage : d'une part le spin moyen des électrons injectés est contrôlé par l'hélicité de la lumière et change de signe lorsque cette hélicité passe de σ+ à σ". Ceci permet, en modulant la polarisation de la lumière, de moduler le signe du spin des électrons injectés. Ainsi, on mesure indépendamment la topographie de la surface par la valeur moyenne du courant hors contact, et le magnétisme de surface en mesurant la modulation de ce courant induite par la modulation de polarisation. D'autre part, l'aimantation totale des photoélectrons étant très faible, la pointe ne perturbe pas le magnétisme de la surface. En raison de ces avantages, plusieurs groupes ont tenté de mettre cette idée en application. L'excitation lumineuse se faisait soit par le côté [voir par exemple Prins et al . ( Phys. Rev. 53, 8105, (1996)], soit au travers de l'échantillon, supposé transparent à la lumière. [W. Nabhan et al. Appl. Surf. Sci. 144-145, (1999), 570]. Les résultats obtenus n'ont pas été aussi convainquant que ceux obtenus avec des pointes magnétiques. Notamment, de forts effets parasites, non liés au magnétisme, ont été obtenus. Ces effets masquent l'observation des effets magnétiques proprement dits. Ces effets parasites sont attribués au changement de polarisation en spin au cours de la pénétration de la lumière dans la pointe, dans le premier cas, et au dichroïsme de l'échantillon dans le deuxième. Un autre domaine voisin intéressant est celui de l'injection en spin pour la « spintronique » (électronique en spin) et le calcul quantique. Le développement de futurs composants pour l'électronique en spin et le calcul quantique nécessite l'injection de spin dans des échantillons semi-conducteurs, métalliques, ou dans des structures comme les points quantiques (quantum dots). Pour réaliser cette injection sans perdre le spin, il est nécessaire d'établir entre l'injecteur et le système dans lequel on injecte une barrière d'épaisseur contrôlée, ce qui peut se réaliser plus facilement dans des conditions d'injection tunnel. Par ailleurs, l'injection dans des points quantiques nécessite de déplacer l'injecteur, ce pourquoi les conditions d'imagerie tunnel sont les mieux adaptées. Les techniques à sonde locale sont envisagées pour augmenter la densité de stockage d'information. La société IBM a développé le « Millipede », qui consiste en une matrice de cantilevers, qui permettent à la fois d'écrire et de lire. Suite aux résultats prometteurs obtenus, plusieurs variantes de systèmes de stockage utilisant des techniques à sonde locale ont été proposées,(stockage par chauffage, stockage ferroélectrique, ...) mais aucun système de stockage par sonde locale ne semble s'imposer pour le moment.
La présente invention a pour objet un dispositif injecteur local d'électrons polarisés en spin à pointe en semi-conducteur sous excitation lumineuse qui permette de changer facilement la polarisation en spin des électrons injectés et d'optimiser les conditions d'injection sans induire d' absorption parasite de la lumière d'excitation, qui soit facile à mettre en œuvre, avec une résolution spatiale comparable ou meilleure qu'environ le nanomètre, ce dispositif donnant un accès conjointement et de manière simple aux informations topographiques et magnétiques des matériaux testés, sans effets parasites, et évitant les inconvénients mentionnés ci- dessus des pointes magnétiques.
Le dispositif injecteur local d'électrons conforme à l'invention est un injecteur comportant une pointe en semi-conducteur fixée sur un levier ou cantilever et sous excitation lumineuse, et il est caractérisé en ce que l'excitation lumineuse est un faisceau lumineux à polarisation circulaire éclairant la face du cantilever opposée à celle sur laquelle est formée la pointe et que le cantilever est en un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau lumineux.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on fait subir à la pointe un traitement de surface dans le but d'enlever et d'éviter la re-formation d'une couche superficielle d'oxyde et d'améliorer la proportion d'électrons injectés.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif à pointe disposée à l'extrémité d'un cantilever conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue partielle et agrandie du dispositif de la figure 1, servant à expliquer le processus de création et de transport d'électrons polarisés en spin, conformément à l'invention,
- les figures 3 et 4 sont des schémas simplifiés montrant deux étapes de réalisation d'un dispositif injecteur local d'électrons conforme à l'invention, la figure 3 étant vue en face « arrière » (face opposée à celle sur laquelle est formée la pointe), alors que la figure 4 est vue en face « avant », et
- la figure 5 est un schéma simplifié d'un montage expérimental servant à tester un dispositif injecteur local d'électrons conforme à l'invention.
On a représenté en figure 1 un cantilever (un levier) 1 à l'extrémité duquel est formée une pointe 2. Ce cantilever est du type de ceux utilisés en microscopie à force atomique (AFM). Cette géométrie permet l'excitation de la pointe par la source lumineuse. Elle permet aussi de stabiliser la distance pointe/surface, en détectant, de façon connue en soi, la lumière laser réfléchie par le cantilever à l'aide d'une diode à quadrants, et en mesurant la déflexion de celle-ci.
La lumière d'excitation 3 éclaire la face du cantilever 1 opposée à celle sur laquelle est formée la pointe 2, sensiblement en face de la pointe. Cette lumière est une lumière monochromatique à polarisation circulaire, ayant par exemple une longueur d'onde comprise entre environ 1.42 eV et 1.70 eV.
Le cantilever est avantageusement réalisé en matériau transparent à la longueur d'onde de la lumière excitatrice et qui ne modifie pas sa polarisation. Ainsi, bien qu'il soit en principe possible de choisir un cantilever en GaAs d'épaisseur inférieure ou comparable à la profondeur d'absorption de la lumière ( de l'ordre du micron), il est possible en choisissant un cantilever transparent d'ajuster sa raideur en ajustant son épaisseur sans induire de pertes lumineuses par absorption dans le cantilever. Un matériau possible est un alliage semi-conducteur Ga1-xAlxAs, à condition de choisir une concentration d'aluminium x suffisamment grande, supérieure à environ 0.25-0.3. Ce choix simplifie la croissance épitaxiale de la pointe. Il permet en outre de limiter la perte d'électrons par recombinaison à la surface arrière de la pointe, puisque l'interface Ga1-xAlxAs/GaAs est connue pour induire très peu de recombinaisons de surface. Enfin, la fragilité du cantilever est réduite, puisque la résistance à la fracture de Ga1-xAlxAs est supérieure à celle de GaAs et peut être comparable à celle du silicium, utilisé de manière courante pour fabriquer des cantilevers d'AFM. Un autre matériau possible est un alliage semiconducteur de type GaAlInP qui facilitera les étapes technologiques de décapage sélectif. II est nécessaire de transporter les électrons générés optiquement sur la face arrière de la pointe, jusqu'au bout de celle-ci, sans perte significative de polarisation en spin. Pour cela, la condition suivante :
1/α « d « Ls doit être réalisée. Ici 1/α est la profondeur d'absorption de la lumière
(de l'ordre du micron) dans la pointe à la longueur d'onde de l'énergie lumineuse, d est la hauteur de la pointe, et Ls = (DT1*)172 est la longueur de diffusion de spin, avec T1* = [Y1+ T1 "1]"1. Le temps T1* est le temps de vie du spin, compte tenu de la recombinaison avec un temps de vie τ et de la relaxation de spin avec un temps T1. La partie gauche de la condition ci-dessus indique que les électrons sont bien créés dans la zone arrière de la pointe, ce qui permet de ne pas perturber le champ lumineux par la pointe, et la surface de l'échantillon. La partie droite indique que les électrons diffusent jusqu'au bout de la pointe et que leur spin se conserve.
Dans le GaAs de type p, ayant une concentration d'accepteurs de l'ordre de quelques 1018 cm"3 , il est possible de photocréer (générer optiquement) des électrons polarisés en spin à température ambiante, ce qui indique que T1 est grand devant τ et donc que le spin se conserve pendant la durée de vie de l'électron. En outre, comme dans ce matériau la longueur de diffusion de spin est de l'ordre de 5 μm, la condition ci-dessus est vérifiée si la pointe a une longueur de 2 à 3 μm. L'injection hors contact de photo-électrons vers une surface métallique ou semi-conductrice peut se faire selon plusieurs mécanismes dont l'importance relative dépend de la tension appliquée : i) mécanisme tunnel classique ; ii) à forte tension photoémission au-dessus de la barrière tunnel ; iii) mécanisme Fowler Nordheim (R. H. Fowler and L. Nordheim, Proc. Roy. Soc. London, 119, 173, (1928)). Dans le cas de ce dernier mécanisme, on augmente le photocourant injecté en jouant sur la focalisation des lignes de champ électrique, c'est-à-dire en choisissant une pointe plus aiguë.
La réalisation de l'ensemble cantilever-pointe est effectuée en combinant principalement des étapes d'épitaxie (en particulier sélective) et de gravure profonde. L'épitaxie de la pointe est réalisée sur un substrat présentant en surface une structure épitaxiale ad hoc (permettant de contrôler les propriétés mécaniques et opto-électroniques du cantilever, comme précisé ci-dessus à propos des matériaux utilisables pour le cantilever) et recouvert d'un masque dans lequel des trous (typiquement de dimensions micrométriques) sont ouverts. En utilisant des conditions d'épitaxie sélective, il est possible d'obtenir une croissance de matériau uniquement à partir des trous ouverts et donc de localiser les pointes. D'autre part, en modifiant les conditions d'épitaxie sélective, il est possible de choisir les plans cristallographiques qui vont délimiter la pointe ainsi que leurs vitesses de croissance, ce qui permet de contrôler à façon la géométrie de la pointe (et notamment sa hauteur et son rayon de courbure à l'extrémité). Plus l'angle de la pointe est ouvert, plus l'effet de la recombinaison de surface aux parois est faible, et donc plus le transport des électrons polarisés en spin jusqu'à son extrémité est facilité. En revanche, une pointe effilée permet d'améliorer la résolution spatiale, ce qui nécessite de trouver un compromis dans la valeur de l'angle au sommet de la pointe. La technique la plus adaptée à ce genre de croissance est l'épitaxie en phase vapeur aux hydrures ou aux chlorures (ITVPE en anglais) et on peut par exemple réaliser par cette technique des pointes de GaAs ayant une hauteur et une largeur de quelques microns sur un substrat AlGaAs/GaAs masqué par du nitrure de silicium ou de la silice. [E. Gil-Lafon, J. Napierala, D. Castelluci, A. Pimpinelli, R. Cadoret, B. Gérard, Crystal Growth, 222, 482, (2001)]. Il est également possible de réaliser les pointes par attaque chimique anisotrope. [V. Cambel, D. Gregusova, and R. Kudela, J. Appl. Phys. 94, 4643, (2003)].
La réalisation du cantilever nécessite d'une part d'éliminer tout autour de celui-ci le matériau substrat, donc d'être capable de graver des tranchées dans le substrat de plusieurs centaines de microns de profondeur. Afin de faciliter cette étape, l'épaisseur initiale du substrat pourra être limitée (par exemple à 200μm, qui dans le cas de GaAs peut être un bon compromis entre tenue mécanique du bloc cantilever et temps de gravure nécessaire) . L'utilisation d'une technique de gravure anisotrope présentant des vitesses de gravure élevées est préférable. La technique ICP (Inductively Coupled Plasma) est généralement préférable aux autres techniques utilisables telles que les techniques de gravure ionique de type RIE (Reactive Ion Etching) ou de gravure chimique. La réalisation du cantilever nécessite d'autre part de contrôler sa géométrie et ses propriétés mécaniques. Ceci est réalisé par lithographie et en incluant dans la structure épitaxiale déposée sur le substrat de départ une ou plusieurs couches d'arrêt chimique (c'est-à-dire présentant une sélectivité de gravure chimique par rapport aux matériaux constituant le cantilever), ce qui permet de contrôler très précisément l'épaisseur du cantilever réalisé. On peut par exemple intégrer dans la structure une couche d'arrêt en GaInP entre le substrat GaAs qu'on élimine et le cantilever constitué de GaAIAs/GaAs. Un exemple d'enchaînement des étapes technologiques conduisant à la réalisation d'un ensemble cantilever-pointe en GaAs est illustré en figures 3 et 4 et est le suivant (Ces étapes pourront définir un certain nombre d'ensembles identiques, disposés sur une tranche massive de GaAs) : 1) réalisation d'une structure épitaxiale GaAs/GaAIAs/GalnP sur un substrat GaAs d'épaisseur 200μm, sur ce que l'on appellera la face avant. L'épaisseur de la couche de GaAlAs sera choisie entre environ 0.5 μm et quelques microns, en fonction de la raideur du cantilever que l'on souhaite obtenir. Une expérience d'injection tunnel nécessite un cantilever le plus raide possible, tandis qu'une expérience de type AFM en mode contact requiert un cantilever peu raide, et donc plus mince. L'épaisseur de la couche de GaInP sera l'épaisseur choisie couramment dans les processus de gravure avec couche d'arrêt.
2) dépôt d'un masque sous forme d'une couche de nitrure de silicium sur cette structure épitaxiale,
3) ouverture de trous dans la couche de nitrure de silicium pour localiser la croissance ultérieure des pointes (face avant),
4) épitaxie sélective de la pointe 3 (ou des pointes, dans le cas où l'on forme plusieurs ensembles sur un même substrat), 5) dépôt de silice sur les faces avant et arrière du substrat,
6) lithographie face arrière pour définir le corps 4 du bloc cantilever (5) + pointe (3),
7) ouverture du masque de silice et gravure ICP de la face arrière du substrat GaAs sur une profondeur de 150μm ( voir un exemple en Figure 3, sur laquelle la pointe 3 est vue par transparence),
8) lithographie de la face avant pour définir le cantilever 5 (voir un exemple en Figure 4),
9) ouverture du masque de silice et gravure ICP de la face arrière du substrat GaAs sur une profondeur de 50μm (le substrat est alors intégralement éliminé autour du bloc cantilever + pointe),
10) gravure face arrière par ICP ou chimique (sur environ 50μm) jusqu'à la couche d'arrêt GaInP,
11) élimination chimique sélective de la couche d'arrêt GaInP,
12) élimination des masques de silice. On obtient ainsi un ensemble cantilever-pointe fixé sur un bloc de GaAs, lui-même relié par des ponts de GaAs au reste de la tranche de GaAs utilisée. Il suffira de casser ces ponts pour détacher l'ensemble, qui pourra alors être installé sur l'appareillage de test (voir figure 5). Il est à noter que l'on peut inverser les étapes 2 à 4 et 5 à 7 respectivement, voire les étapes 2 à 4 et 5 à 12 respectivement.
On a représenté en figure 5 un montage de test du dispositif d'injection ainsi réalisé. Ce montage où l'ensemble 6 pointe et cantilever est installé sur un support 7, face à un échantillon 8, doit permettre de focaliser la lumière sur une surface de l'échantillon de quelques microns de diamètre, en un point qui ne se déplace pas pendant le balayage de la surface de cet échantillon. Cette condition peut être réalisée à l'aide de deux actuateurs à céramiques piézo-électriques. (voir figure 5) La première céramique 9 supporte le cantilever et ne fournit qu'un mouvement parallèle à l'axe lumineux (Oz) du faisceau de lumière cohérente 10 illuminant la face arrière du cantilever. En revanche, la deuxième céramique 11, sur laquelle est fixé l'échantillon 8, permet un déplacement dans les deux directions perpendiculaires, Ox et Oy (dans un plan perpendiculaire au plan du dessin), ce qui permet de balayer l'échantillon. Ce montage est compatible avec une utilisation en ultra-vide, sous air ou sous gaz neutre, ou en milieu électro-chimique. Pour éviter l'oxydation de la pointe pendant l'expérience, on peut aussi déposer sur l'échantillon par centrifugation un liquide hydrophobe tel qu'un polymère (polydiméthylsiloxane par exemple) ou une huile perfluorée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on traite la pointe d'injection d'électrons. Le traitement de la pointe a un double but. Il est d'abord nécessaire d'enlever la couche d'oxyde qui peut empêcher l'apparition d'un courant tunnel. De plus, il est important de diminuer la recombinaison à la surface qui diminue le courant des électrons injectés dans la pointe après leur photocréation à l'arrière de celle-ci.
Plusieurs traitements chimiques peuvent être envisagés. Pour une utilisation en ultra-vide, la pointe peut être traitée par une solution de sulfure (sulfure de sodium ou sulfure d'ammonium par exemple). Un autre traitement possible est celui par une solution d'acide chlorhydrique dans le propanol, suivie d'une introduction sous vide en absence d'oxygène. Une technique chimique simple peut permettre une utilisation en milieu gazeux ou liquide, ce qui simplifie grandement les mesures [V. L. Berkovits, T. V. L'vova, V. P. UHn, « Procédure to obtain nitride films on surfaces of III-V semiconductors » brevet de la fédération de Russie 2168237 (2001)]. Ce procédé, qui consiste à immerger la pointe dans une solution à base d'hydrazine (N2H4), permet après un éventuel recuit modéré sous vide de recouvrir la pointe d'une couche très fine d'azote, d'épaisseur de l'ordre de la monocouche. Il a été montré que cette technique diminue la vitesse de recombinaison de surface, et protège la surface pendant au moins plusieurs mois contre l'oxydation.
Le dispositif de l'invention permet de réaliser une imagerie des domaines magnétiques et de la topographie de la surface de couches minces en minimisant l'interaction magnétique injecteur/échantillon, et ce, dans un environnement ultravide, liquide ou gazeux. Il peut aussi être mis en oeuvre pour l'étude de la spintronique dans différents matériaux par injection de spins, ou bien pour l'étude de structures quantiques et le stockage à haute densité d'informations.
Le fait de faire appel à des alliages HI-V pour le levier permet d'ajuster l'épaisseur et donc la raideur de ce levier sans introduire d'absorption lumineuse. Un levier plus souple est généralement mieux adapté aux conditions d'AFM tandis qu'un levier plus raide permet de mieux contrôler la distance pointe-substrat, puisque cette distance dépend moins des forces entre les deux. Selon les applications, on recherchera la valeur optimale de cette raideur. La pointe est alors généralement en GaAs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Injecteur local d'électrons polarisés en spin comportant une pointe (2) en semi-conducteur fixée sur un cantilever (1) et sous excitation lumineuse (3), caractérisé en ce que l'excitation lumineuse est un faisceau lumineux à polarisation circulaire éclairant la face du cantilever opposée à celle sur laquelle est formée la pointe.
2 Injecteur local d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques de la pointe sont telles que la condition : 1/α « d « Ls est réalisée, 1/α étant la profondeur d'absorption de la lumière dans la pointe à la longueur d'onde de l'énergie lumineuse, d la hauteur de la pointe, et Ls = (DT1*)172 la longueur de diffusion de spin, avec T1* = [Y1+ T1 "1]"1, le temps T1* étant le temps de vie du spin, compte tenu de la recombinaison avec un temps de vie τ et de la relaxation de spin avec un temps T1.
3 Injecteur local d'électrons selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on lait subir à la pointe un traitement de surface dans le but d'enlever et d'éviter la re-formation d'une couche superficielle d'oxyde et d'améliorer la proportion d'électrons injectés. 4 Injecteur local d'électrons selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cantilever est en un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau lumineux.
5 Injecteur local d'électrons selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le levier est réalisé en un alliage semi-conducteur IH-V et que la pointe est en GaAs.
6 Matrice d'injecteurs selon la revendication 1 ou 2, permettant le stockage et la lecture d'information à haute densité.
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