EP2313897A1 - Semiconductor-based magnetic material - Google Patents

Semiconductor-based magnetic material

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EP2313897A1
EP2313897A1 EP09800114A EP09800114A EP2313897A1 EP 2313897 A1 EP2313897 A1 EP 2313897A1 EP 09800114 A EP09800114 A EP 09800114A EP 09800114 A EP09800114 A EP 09800114A EP 2313897 A1 EP2313897 A1 EP 2313897A1
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EP
European Patent Office
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magnetic
substrate
manganese
group iva
material according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09800114A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pascal Pochet
Emmanuel Arras
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01F10/08Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/193Magnetic semiconductor compounds
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
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    • H01F41/20Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates by evaporation
    • HELECTRICITY
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Definitions

  • the subject of the invention is a novel magnetic material based on at least one magnetic 3d transition metal element and at least one semiconductor element of the group (IVA), chosen from among germanium, silicon and their alloys, this material being homogeneous, crystalline, and having a Curie temperature (Tc) equal to or greater than 350 K. It also relates to a process for its production and uses, especially in spintronics.
  • the diamond structure of this material also offers many possibilities for the co-integration of magnetic functions (magnetic sensors, magnetic memories, etc.) in conventional microelectronics.
  • the invention relates to the synthesis of a homogeneous magnetic material based on germanium and manganese, magnetic above ambient temperature.
  • DMS diluted magnetic semiconductors
  • DMS diluted magnetic semiconductors
  • These DMS typically consist of a semiconductor matrix of groups III-V, IV or II-VI in which are diluted magnetic impurities such as manganese, iron, chromium, cobalt, vanadium or nickel.
  • charge carriers are constituted by holes.
  • the first synthesized ferromagnetic DMS was
  • DMS Curie temperature
  • Another disadvantage of these DMS lies in the undesirable but frequent formation of small ferromagnetic metal precipitates within the semiconductor matrix, which does not plead in favor of truly ferromagnetic properties for these DMS and makes the crystal growth step very difficult to achieve.
  • Patent Application US Pat. No. 6,946,301 discloses a non-equilibrium thermal evaporative fabrication method of an amorphous ferromagnetic semiconductor of the GeMn type, which has a Curie temperature of up to 250 K, for a manganese d about 35%.
  • 6,307,241 teaches, in its sole exemplary embodiment, to manufacture a ferromagnetic semiconductor of type III-V (GaAs) with a Curie temperature Tc greater than 400 K, by the technique of ion implantation of manganese ions (Mn + ) followed by annealing.
  • a ferromagnetic semiconductor of type III-V GaAs
  • Tc Curie temperature
  • Mn + manganese ions
  • this implantation technique is not adapted to the manufacture of magnetic materials based on a semiconductor element of group IVA (typically based on germanium) of Tc> 350 K, it being specified that the phase thus obtained, of type Ge 3 Mn 5 , has a Tc no more than 300 K.
  • group IVA typically based on germanium
  • a major disadvantage of these known magnetic semiconductors lies in their relatively low Curie temperature, which is generally limited to about 300 K. Moreover, when the measured Curie temperature is close to 300 K, it is difficult to exclude the presence of the Ge 3 Mn 5 metal phase, whose Curie temperature is precisely close to 300 K.
  • a solution recently proposed by Jamet et al. (Jamet et al., Nature Materials 5, 653-659, 2006, WO2007 / 090946) consists of synthesizing an alloy of germanium and manganese constituting a magnetic semiconductor having a Curie temperature higher than room temperature. This material is characterized by a spatial modulation of the manganese composition, a modulation that allows the appearance of the magnetic semiconductor phase in the manganese-rich regions. These manganese enriched regions do not have a composition similar to that of the known compounds of the phase diagram of the Ge-Mn binary alloy. They can then be used for a variety of spintronic applications.
  • This material was found to be inhomogeneous and composed small precipitates ferromagnetic metal within the semiconductor die after analysis of samples by EXAFS and TEM (transmission electron microscopy) ( "Correlation of structural and magnetic properties of ferromagnetic Mn-implanted If 1- x Ge x film" Ko V. , et al., J. Appl Phys 103, 053912 (2008)).
  • the same type of material was produced by implantation of Mn + in Si x Ge x for varying from 0 to 0.5: the material obtained was also nonhomogeneous, with Mn 4 Si 7 metal precipitates for x 0.2 and of Mn 7 Ge 3 type for x> 0.2 (see Ko, et al., J.
  • US-5,296,048 discloses a semiconductor material belonging to the family of groups III-V or materials of group IV, which is associated with a transition element or a rare earth in an amount sufficient to impart to the material magnetic properties.
  • the materials described herein are diluted semiconductors (DMS), when a Group IV material is employed, the magnetic element is present at a maximum concentration of less than 1%.
  • the present invention proposes to prepare a new crystalline homogeneous magnetic material, in particular a dilute solid solution of Mn in Ge, which is not described in the equilibrium phase diagram (at atmospheric P, the Temperature / Concentration diagram). this material.
  • the solubility limit of Mn in Ge is much lower than 0.1 at%. Beyond this limit one should obtain the precipitation of a phase rich in Mn (Mn ⁇ Geg or Mn5Ge3) in a matrix of Ge.
  • the material of the invention exists in a concentration range around 20-45 at. % of Mn. This concentration is lower than that of rich precipitates in Mn cited above (respectively 58 and 62.5 at.%).
  • the embodiments relate to crystalline materials whose concentration of Mn is less than 15 at%. Furthermore, extensive analyzes of such materials (TEM) have revealed the precipitation of a second phase Mn] ⁇ Ges or Mn5Ge3, these materials are therefore not homogeneous.
  • TEM extensive analyzes of such materials
  • Crystalline materials unlike amorphous materials, have a long-range order in their structure.
  • the crystalline materials may be distinguished from amorphous materials by diffraction experiments X-rays 5 for example on a solid material or a powder: a crystal gives rise to diffraction peaks spatially localized while a large bumps product amorphous compound .
  • the first hump corresponds to the correlations between a given atom and its nearest neighbors
  • the second corresponds to the correlations between this atom and its nearest neighbors.
  • the width of the bumps increases with the order of the neighbors, which means that the correlations become weaker and weaker: the local order for a given atom does not exceed the 5 th or 6 th neighbors.
  • the material insofar as it is crystalline, allows an epitaxial recovery for the crystalline layers that would subsequently be deposited on its surfaces to prepare complete electronic or spintronic devices, such recovery would be much more difficult to implement if the material was amorphous.
  • the crystalline structure of the material makes it possible to ensure a spin diffusion length, a key parameter in spintronics, which is large and comparatively higher than that expected in amorphous materials.
  • An object of the present invention is to provide a substantially homogeneous crystalline magnetic material which makes it possible to overcome the aforementioned drawbacks of both metals (the material of the invention has a resistivity of approximately 10 -3 Ohm.m, against less than 10 "7 Ohm.m for metals) and known DMS (the material of the invention has a Curie temperature greater than or equal to 350 K), and this goal is achieved using a magnetic material based at least one element of group IVA, preferably Ge and / or Si, comprising at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium, the properties of the material being obtained by stabilizing the transition element, in particular manganese, in the interstitial position of the diamond mesh.
  • group IVA preferably Ge and / or Si
  • This position of the transition element, in particular manganese, in the semiconductor network is induced by the maintenance of the material under deformation during its preparation.
  • Another object is to propose a magnetic material whose Tc is controllable, the Tc can go beyond the ambient temperature.
  • a new synthetic process has been developed, this synthesis route making it possible to obtain a film of a homogeneous material, alloy of a semiconductor, advantageously germanium, and a transition element, advantageously manganese.
  • this film being magnetic at room temperature and having properties comparable to those of the manganese enriched phase of the alloys produced by following the method described in WO2007 / 090946.
  • This synthetic route makes it possible to obtain an alloy of germanium and of manganese, magnetic, in the form of a film of homogeneous composition.
  • the synthesized material object of the invention is characterized by a high Curie temperature.
  • the transition element When it is composed of Ge and Mn, its composition and structure are different from those of the known compounds of the phase diagram of the Ge-Mn binary alloy (Ge 3 Mn 5 or Ge 8 Mn 1 )). And in particular, the transition element is predominantly in the interstitial position in the crystal lattice of the semiconductor (diamond type mesh). A certain proportion of the transition element in the substitutional position is, however, necessary to obtain a magnetic material with non-zero resting magnetization. In addition, the Curie temperature of this material is controlled by the proportion of the transition element in the substitutional position (relative to the interstitial position) (see FIG.
  • the element B can occupy at least 2 different types of position in the network of A (see FIG. Ic).
  • crystalline material A is germanium ( Figure 1a)
  • element B is manganese.
  • each atom of B comes to take the place of an atom of A. It is about a form of classic alloy of substitution. But a classical alloy of a transition element such as Mn, in a semi- Conductor, such as Ge, does not make it possible to obtain Curie temperatures higher than the ambient temperature.
  • each atom of B is placed in the interstices of the crystal A (for example octahedral or tetrahedral sites in the case of the diamond mesh).
  • This is a form of so-called insertion alloy.
  • This type of alloy is normally observed with small B-elements, for example hydrogen, boron, carbon or nitrogen.
  • between 15 and 45% of the transition element is in substitutional position (relative to the total amount ⁇ of transition element), and preferably between 20 and 35%.
  • the method for manufacturing the magnetic material according to the invention comprises at least one molecular beam epitaxy step comprising a simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the periodic table, on a substrate selected according to criteria which are defined below.
  • the temperature of the substrate during deposition is subject to adjustment.
  • the choice of the substrate constitutes an essential characteristic of the process of the invention.
  • the substrate is advantageously constituted by a binary or ternary semiconductor alloy, possibly quaternary, with a diamond or zinc-blende structure (possibly of Wurtzite type).
  • the atoms involved in the constitution of the substrate may in particular be chosen from the following elements: Al, In, Ga, As, Sb, P, C, Si, Ge.
  • the substrate used to implement this process is based on one or more atoms selected from the group consisting of (In, Ga, As, Sb, P) or (Si, Ge, C) and alloys of these, for example: In 1-x Ga x As, GaAs 1-x Sb x , In 1-x Ga x P, Si 1-x Ge x , and x is a number such that
  • the manufacturing method of the magnetic material according to the invention comprises at least one step of molecular beam epitaxy comprising a simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron , cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the periodic table, on a substrate whose mesh mismatch with the element (s) chosen in group IVA of the periodic table is between 0.1 and 10% in absolute value, and whose temperature during crystal growth is between 80 ° C and 200 ° C, preferably between 100 ° C and 150 ° C , leading to obtaining a thin layer of said group IVA semiconductor, in which are inserted the magnetic element (s) atoms.
  • the support is chosen so that its mesh parameter is 0.1 to 10% higher or lower than that of the semiconductor (element chosen in group IVA) used for the material of the invention. advantageously between 1 and 5%, and preferably between 2 and 4% when the group IVA element is Germanium and the transition element is Manganese.
  • the expansion or contraction of the substrate can be modulated to manage the relative stability of the interstitial defects with respect to the substituents as follows: In equilibrium germanium, out of stress, it is the substitutional position that is stable. To obtain the magnetic structure in germanium, which constitutes the material according to the invention, it is necessary to promote the formation of interstitials with respect to the substituents. The stabilization of such a structure is obtained in the Ge thanks to a dilation stress which stabilizes the interstitial with respect to the substitutional (mesh parameter of the upper substrate of 0.1 to 10% compared to that of the Ge). This constraint is obtained through the use of a substrate having a mesh parameter greater than that of Ge, in particular an expansion of 2 to 4%, and in particular of about 3%, gives good results.
  • the same procedure is used for the choice of the substrate ie the interstitial is stabilized with respect to the substitutional, but without excess.
  • a mesh parameter substrate smaller than that of the Si 1-x Ge x alloy is used if the interstitial is stable at equilibrium and a mesh parameter substrate greater than that of the Si- 1 alloy.
  • x Ge x if the substitutional is stable at equilibrium.
  • the element of group IVA is an alloy Si 1-x Ge x with 0.25 ⁇ x ⁇ 1
  • the mesh parameter of a substitution alloy such as those used as substrates in the present invention can be calculated using methods well known to those skilled in the art and described in particular in a first approximation by the law of Végard which indicates that in the case of alloys in which there is miscibility throughout the concentration scale, the parameter of the elementary mesh of the alloy varies linearly between the respective parameters of the two pure compounds.
  • the mesh parameters of the various semiconductor alloys can be found for example on: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/ or on: http://www.semiconductors.co.uk/ home.htm or in Semiconductor Materials,
  • a suitable substrate can be obtained easily in each case: it is possible to use a substrate of formula Si 1-2 Ge 2 (whose mesh parameter varies from 5.43 to 5.66 ⁇ for z increasing from 0 to 1). a substrate of formula Ini y Ga y P (whose lattice parameter varies from 5.44 to 5.86 ⁇ for descending it from 1 to 0).
  • the manufacturing process of the magnetic material according to the invention comprises at least one epitaxy step by molecular beam "comprising simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the Periodic Table, on a substrate whose mesh mismatch with the element (s) chosen (s) ) in group IVA of the periodic table is less than 1% in absolute value, preferably less than 0.5%, and whose temperature during crystal growth is between 80 ° C and 200 ° C, preferably between 100 ° C and 150 ° C, leading to obtaining a thin layer of said group IVA semiconductor, in which are inserted the magnetic element (s) atoms (s).
  • This variant is used when the element of group IVA is an alloy Si 1-x Ge x with 0.16 ⁇ x ⁇ 0.25. Growth can then be made directly on a Si substrate -y Ge y with x ⁇ y, as the relative stability compared to interstitials substitutional allows unconstrained to obtain the magnetic phase of the present invention material. However, a slight positive or negative constraint can be advantageously applied to favor the good ratio of substitutes with respect to the interstitials because it is this ratio which controls the curie temperature and the total magnetization of the structure.
  • the position of the atoms of the transition element with respect to the semiconductor network can be observed as a function of their concentration either by X-ray diffraction for concentrations greater than 10% by volume, or by EXAFS (for Extended X-Ray Absorption Fine Structure or X-ray absorption of fine structures) for all concentrations (but this method requires a synchrotron) or more simply by the RBS technique (for Rutherford Backscattering Spectrometry or Rutherford Backscattering Spectrometry) for all concentrations
  • the RBS technique involves examining the energy distribution of highly energetic He + ions (> 2 MeV) backscattered by the near-surface region of the sample.
  • the composition and the depth distribution of the elements present in the sample can be deduced from it.
  • Quantitative data of the crystallinity of the material can also be obtained.
  • channeling measures the rate of interstitials and substitutions in a GeMn network with nanocolumns: "Dopant segregation and giant magnetoresistance in manganese-doped germanium AP Li et al., Phys. Rev. B 75, 201201 (2007).
  • germanium it is the substitutional position which is more stable than the interstitial position (for example Da Silva Phys Rev. B 70, 193205 (2004)).
  • DMS it is necessary to favor this position of substitution of Ge by Mn if it is desired to obtain a ferromagnetic compound (for example in GaMnAs: KM Yu et al, Phys Rev B 65 201303 (2002), AH MacDonald Nat Mat 4,195 (2005)).
  • interstitial manganese are second neighbors to each other, while substitutions are first neighbors of at least 2 interstitial manganese, which leads to a substitution ratio of about 20% compared to total of Mn. This implies that the tension applied for the stabilization of such a structure is obtained in Germanium thanks to a dilation stress which stabilizes the interstitial with respect to the substitutional ( Figure 2).
  • the thickness of the deposition layer (as well as the possible Ge buffer layer), which is chosen so as to avoid the relaxation of the deposit,
  • the maximum deposition thickness to avoid a relaxation of the deposition of magnetic material depends on the composition of this material (choice of atoms and their proportions), its concentration and the expansion of the support. It can be determined using methods well known to those skilled in the art, such as the method de Matthews-Blakesîee, a description of which is given for example in F. Tinjod doctoral thesis UJF Grenoble 2003.
  • the atomic fraction of the element (s) magnetic (s) in the material is preferably between 15% and 60% relative to the entire material, preferably between 20 and 45% and results from the relative concentration of the magnetic elements and the elements of group IVA during the deposition: the deposition of the elements is done by using an average ratio [rate of deposition of the magnetic element (s) / speeds of deposition of the set of elements] which is between 15% and 60%, advantageously between 20 and 45%.
  • the at least one of the magnetic element (s) is manganese, chromium or vanadium and advantageously manganese.
  • the other element (s) of Group IVA deposited simultaneously are germanium, silicon or one of their alloys.
  • the transition element and the element of group IVA deposited simultaneously are respectively manganese and germanium and / or silicon, for obtaining a magnetic material GeMn or SiMn or SiGeMn, or, in variant, of GeMnX, SiMnX or SiGeMnX type where X is a metal or an alloy of a metal that can be chosen for example from iron, cobalt, nickel, vanadium or chromium, preferably from chromium and vanadium .
  • a homogeneous layer of magnetic GeMn is obtained with the appropriate set of parameters above the ambient temperature with a manganese concentration that can go from 15 to 60%, advantageously from 20 to 45%.
  • the thickness of GeMn is advantageously between 0.1 nm and 1 ⁇ m, preferably between 0.3 nm and 1 ⁇ m.
  • the method according to the invention further comprises a deposit on the substrate of a "buffer" layer of germanium, prior to the simultaneous deposition of germanium and manganese to obtain the thin layer, so as to obtain a surface as smooth as possible at the atomic scale for two-dimensional growth of the germanium-manganese film.
  • the buffer layer is respectively made of Si or the same Ge / Si alloy.
  • the thickness of the buffer layer when such a layer is present, is calculated so as to avoid relaxation of the semiconductor.
  • the person skilled in the art can rely on the method of Matthews-Blakeslee, a description of which is given, for example, in F. Tinjod PhD Thesis UJF Grenoble 2003, to calculate this maximum thickness.
  • the synthesis of the magnetic material is carried out as in the case of the method of WO2007 / 090946 by Jets Epitaxy
  • MBE Molecular Molecular
  • the substrate on which the growth by EJM is carried out the choice of the substrate on which the growth by EJM is carried out.
  • the crystal lattice mismatch between germanium and the substrate is essential.
  • the substrate is thus chosen so as to have a mesh parameter several percent higher than that of germanium. It is possible to choose a substrate or support having a mesh parameter mismatch with respect to Germanium of between 1 and 7%, advantageously between 2 and 4%.
  • the growth procedure is carried out according to a standard method well known to those skilled in the art: a) deoxidation of the substrate or desorption of the protective layer to obtain a sufficiently "clean" surface to allow to carry out a 2D epitaxy next the rules of those skilled in the art (chemical cleaning, plasma treatment). b) application of a method which makes it possible, if necessary, to smooth the surface to be epitaxially treated and / or to make a diffusion barrier. It is possible, for example, to deposit a germanium buffer layer epitaxially with the substrate, of a sufficiently small thickness to avoid its relaxation, for example of a thickness between
  • the thickness of the layer is also controlled so as to remain below the critical relaxation thickness, and in particular it is between 0.1 nm and 1 ⁇ m. This thickness also depends on the initial mesh clash.
  • TO ⁇ is carried out at low temperature ( ⁇ 200 0 C) with partial pressures of germanium and manganese in the flow at the substrate between, respectively, 0.8. 10" and 8.10 “Torr and between 0.1.10 '9 and 100.10 “9 Torr.
  • the deposition rate is of the order of 0.01 to 0.1 nm / s.
  • the relative concentration of manganese is
  • the deposit is obtained in the form of a thin layer in which the manganese is distributed substantially homogeneously.
  • manganese occupies interstitial positions of the germanium diamond mesh. This stabilization is favored by the voltage applied by the substrate during the growth of the layer.
  • This material has a Curie temperature greater than 350 K. Neither its composition nor its structure resemble the known compounds of the GeMn phase diagram.
  • the effect of modifying both the thickness of the GeMn layer that can be envisaged without relaxation, the magnetization at rest of the material and its Curie temperature, while at the same time leading to the production of magnetic GeMn layers beyond the ambient temperature By way of example, the evolution of the Curie temperature and the idle magnetization (relative to the manganese concentration) as a function of the relative concentration of the substituent relative to the total number of manganese atoms in germanium.
  • the growth parameters can therefore be adjusted according to the applications to find the compromise between a high Curie temperature and a strong magnetization at rest.
  • the operating point is determined by following the total concentration of manganese as well as the ratio of Mn substitutions / interstitials which can be for example measured by RBS.
  • the invention is based on the stabilization of manganese interstitial position of the diamond mesh of germanium.
  • the rate of expansion to stabilize this interstitial position with respect to the substitutional position is defined from results of calculations based on the electronic structure of the solids and presented in FIG. 2.
  • a stability inversion of about 1% is noted. of dilatation.
  • a margin of 1-2% is applied to ensure this stabilization in the samples prepared.
  • the rate can be judiciously adjusted to obtain a compromise between the stability of these interstitials and the critical relaxation thickness of the Ge and GeMn buffer layers.
  • the material of the invention is in the form of a film consisting of a crystalline homogeneous alloy of an element chosen from group IVA of the periodic table, advantageously germanium and a transition element, advantageously manganese. It has a Curie temperature (Tc) greater than or equal to 350 K.
  • Tc Curie temperature
  • the magnetic material of the invention also has an extraordinary Hall effect ("EHE" abbreviated) at a temperature above 300 K and can reach at least 350 K.
  • EHE extraordinary Hall effect
  • the material of the invention is distinguished by its homogeneous nature. This characteristic can be observed in several ways: if two random samples are taken from the material and the concentration of the transition element is evaluated, it is within a range of values of + 5% around an average value. And a study of the material by X-ray diffraction shows that the atomic structure of the material is substantially homogeneous. Finally, the physical properties of the material (magnetization, conductivity, mesh parameter) are substantially identical at any point on the surface of the film of material: this homogeneity allows the injection of spins at any point on the surface of the material, which is not possible with the material described in WO2007 / 090946.
  • the homogeneity of the material has the advantage that the injection surface of the spins is larger. This spin injection function and its associated surface are important for applications such as the FET spin transistor or the Qbit spin.
  • the material is used as a magnetic layer in a device 'MRAM type information storage or in a spin valve, the ability to implement homogeneous film form is required, in particular at a possible stage of lithography.
  • the advantage of such a material lies in its ability to be easily epitaxied on semiconductors (Si, Ge, ... diamond mesh) without introducing extensive defects. It also has the advantage of being able to be located via the stress transmitted by the substrate (processes' glued shot 1 in particular) for example for the co-integration of magnetic functions (magnetic sensors, magnetic memories, etc.) in conventional microelectronics.
  • the material of the invention can be used for a variety of applications, either as a source of a spin polarized carrier current in silicon or germanium, or as a magnetic element in devices of the spin valve or tunnel junction type.
  • magnetic or conventionally as a magnetic region (easily localizable) source of a magnetic field for applications in high density magnetic recording.
  • Devices using DMS and for which the materials of the invention could advantageously replace DMS are described in: Vutic et al., Reviews of Modem Physics, Volume 76, 323, April 2004.
  • Another object of the invention is a plate, also called “wafer” comprising a support as described above and at least one layer of a magnetic material of the invention. It optionally comprises an intermediate buffer layer as described above.
  • This plate results from the implementation of the method of the invention and can be used in an electromagnetic device for the applications described above.
  • this plate results from the application of the method of the invention on a support having a mesh parameter mismatch with the element of group IVA, two distinct configurations can be distinguished:
  • this support 5 has a constraint, or disagreement of mesh parameter with respect to the element of group IVA, which is constant. This results in a homogeneous deposit on the entire surface of this support.
  • this support has a mesh parameter mismatch with respect to the element of group IVA, which varies according to a TU ⁇ " predetermined pattern.
  • the film is grown on a substrate having one or more areas where the stress (mesh parameter mismatch with respect to the semiconductor) is homogeneous and others where the stress is distributed inhomogeneously. This makes it possible to grow on a substrate zones of homogeneous magnetic film according to a predetermined pattern. To the devices described in WO2007 / 090946, the dimensions and the distribution of the magnetic film areas in the deposit are then controlled and not random.
  • the total concentration of manganese can range from 15% xRs to 60% xRs and preferably from 20% xRs to
  • the manganese is preferentially concentrated in line with the constrained zones according to the chosen scheme.
  • the characteristics of the deposition in these zones are the same as those described for deposition on a uniform substrate.
  • the total concentration of manganese in these zones is then preferably between 20 and 45% with a ratio of substitutionally preferably between 20 and
  • An electronic component according to the invention may advantageously be of the diode type for the injection or the collection of spins in or from another semiconductor, respectively, or of a magnetic field-sensitive element type, and this component advantageously comprises a material magnetic device according to the invention as defined above.
  • a carrier current source (3) coupled to the first layer for, in a first case, selectively extracting a spin polarized current and for injecting it into the second layer or, in a second case, for selectively extracting a stream of spin-polarized carriers from the second layer and inject it into the
  • the magnetic phase according to the invention of the first semiconductor emits or receives this spin-polarized current to or from the second semiconductor, respectively according to the first or second case.
  • the fact that the material is not semiconductor but just bad conductor is enough to avoid depolarization. (A. Fert and H. Jaffres, Physical Review B 64, 184420).
  • the component is sensitive to a magnetic field and it may be a magnetic field sensor, which comprises a thin layer formed of a magnetic material according to the invention such that defined above, for the detection or measurement of the said field by measuring a magnetoresistance to a magnetic field applied perpendicular to the thin layer or in the plane thereof.
  • a first use according to the invention of a magnetic material as defined above consists in injecting or collecting by contact a stream of spiral-polarized carriers in or from another semiconductor based on Si, Ge 5 . .. (groups " IV, III-V, II-VI) or an alloy thereof, at a temperature equal to or greater than 350 K and which may be equal to or greater than 400 K.
  • a second use according to the invention of a magnetic material as defined above consists in measuring a magnetic field by measuring a magnetoresistance effect in said semiconductor, at a temperature equal to or greater than 350 K and able to be equal to or greater than 400 K.
  • the magnetic material according to the invention can also be used as a magnetic element in spin valve type devices, or as a magnetized region source of a magnetic field for applications in high density magnetic recording. .
  • the magnetic material of the invention can also be used for the manufacture of a flat MRAM type magnetic memory (the stacking of the magnetic layers, is not vertical as in a conventional MRAM but they are deposited one to next to each other on a silicon-based conduction channel, for example), especially in the case where it has different Tc areas.
  • Figure 4 Schematic representation of a diode-like component for injecting spins into another semiconductor.
  • Figure 5 Evolution of the Curie temperature evaluated from the exchange integral as a function of the relative concentration of Mn substitution in GeMn for an interstitial manganese concentration fixed at 1/3 of the total number of atoms.

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Abstract

Magnetic material based on at least one magnetic 3d transition metal element and at least one Group IVA semiconductor element, this material being homogeneous and having a Curie temperature (Tc) of 350 K or higher. Method for the production and uses thereof, especially in spintronics.

Description

MATÉRIAU MAGNÉTIQUE À BASE DE SEMI-CONDUCTEUR SEMICONDUCTOR MAGNETIC MATERIAL
L'invention a pour objet un nouveau matériau magnétique à base d'au moins un élément métal de transition 3d magnétique et d'au moins un élément semiconducteur du groupe (IVA), choisi parmi le germanium, le silicium et leurs alliages, ce matériau étant homogène, cristallin, et présentant une température de Curie (Tc) égale ou supérieure à 350 K. Elle a également pour objet un procédé pour sa production et ses utilisations, notamment en spintronique. La structure diamant de ce matériau lui offre aussi de nombreuses possibilités pour la co-intégration de fonctions magnétiques (capteurs magnétiques, mémoires magnétiques, etc..) en micro-électronique classique. " Selon un mode de réalisation préférentiel, l'invention concerne la synthèse d'un matériau magnétique homogène, à base de germanium et de manganèse, magnétique au-delà de la température ambiante.The subject of the invention is a novel magnetic material based on at least one magnetic 3d transition metal element and at least one semiconductor element of the group (IVA), chosen from among germanium, silicon and their alloys, this material being homogeneous, crystalline, and having a Curie temperature (Tc) equal to or greater than 350 K. It also relates to a process for its production and uses, especially in spintronics. The diamond structure of this material also offers many possibilities for the co-integration of magnetic functions (magnetic sensors, magnetic memories, etc.) in conventional microelectronics. According to a preferred embodiment, the invention relates to the synthesis of a homogeneous magnetic material based on germanium and manganese, magnetic above ambient temperature.
L'injection dans un semi-conducteur d'un courant de porteurs polarisé en spin, qui se caractérise par un excès de l'une des deux populations de porteurs présentes (par exemple celle de spin parallèle ou « spin up »), a récemment fait l'objet de plusieurs publications. On peut citer, à titre d'exemple, les composants électroniques décrits dans l'article Datta et Das, Applied Physics Letters, 56, 665, 1990 et dans Vutic et al., Reviews of Modem Physics, Volume 76, 323, Avril 2004).The injection into a semiconductor of a spin-polarized carrier current, which is characterized by an excess of one of the two carrier populations present (for example that of spin-up or spin-up), has recently is the subject of several publications. By way of example, mention may be made of the electronic components described in the article Datta and Das, Applied Physics Letters, 56, 665, 1990 and in Vutic et al., Reviews of Modem Physics, Volume 76, 323, April 2004. ).
La mise en œuvre de cette injection d'un courant polarisé en spin présente un grand intérêt en microélectronique, mais son développement se heurte au manque de matériaux appropriés pour constituer l'électrode d'injection du courant.The implementation of this injection of a spin polarized current is of great interest in microelectronics, but its development is hampered by the lack of suitable materials to constitute the current injection electrode.
En effet, si les métaux ferromagnétiques usuels, tels que le fer et nombre de ses alliages, présentent une part des qualités requises comme une polarisation en spin élevée et un comportement ferromagnétique à température ambiante, leur résistance électrique est de plusieurs ordres de grandeur différente de celle des semi-conducteurs, ce qui génère de grandes difficultés de mise en œuvre et impose d'effectuer l'injection de courant par effet tunnel (cf : A. Fert and H. Jaffres, Physical Review B 64, 184420). Cela a pour inconvénient de nécessiter la croissance d'une hétéro-structure hybride malaisée à réaliser, du type semi-conducteur/ barrière à effet tunnel/ métal ferromagnétique. A l'opposé, il existe des semi-conducteurs dits magnétiques dilués (en abrégé DMS en anglais, pour « Diluted Magnetic Semiconductors ») qui ne présentent pas l'inconvénient de posséder une résistivité très différente de celle des semi-conducteurs ordinaires. Ces DMS sont typiquement constitués d'une matrice semi-conductrice des groupes III-V, IV ou II- VI dans laquelle sont diluées des impuretés magnétiques comme le manganèse, le fer, le chrome, le cobalt, le vanadium ou le nickel.Indeed, if the usual ferromagnetic metals, such as iron and many of its alloys, have some of the required qualities such as a high spin polarization and a ferromagnetic behavior at room temperature, their electrical resistance is several orders of magnitude different from that of the semiconductors, which generates great implementation difficulties and requires tunneling current injection (see A. Fert and H. Jaffres, Physical Review B 64, 184420). This has the disadvantage of requiring the growth of a difficult hybrid hetero-structure to achieve, of the semiconductor / tunnel-effect barrier / ferromagnetic metal type. In contrast, there exist so-called diluted magnetic semiconductors (abbreviated DMS in English, for "Diluted Magnetic Semiconductors") which do not have the disadvantage of having a resistivity very different from that of ordinary semiconductors. These DMS typically consist of a semiconductor matrix of groups III-V, IV or II-VI in which are diluted magnetic impurities such as manganese, iron, chromium, cobalt, vanadium or nickel.
Dans le cas d'une dilution au manganèse, qui est un accepteur dans les semi-conducteurs III-V ou IV5 les porteurs de charge sont constitués de trous. Lorsque la concentration en manganèse et la densité de trous (naturellement créés par la présence du manganèse ou volontairement introduits par co-dopage) sont suffisamment élevées dans leIn the case of a dilution of manganese, which is an acceptor in the semiconductor III-V or IV 5 charge carriers are constituted by holes. When the concentration of manganese and the density of holes (naturally created by the presence of manganese or voluntarily introduced by co-doping) are sufficiently high in the
DMS, ce dernier peut devenir ferromagnétique et le couplage d'échange entre ions manganèse est induit par les trous. Le premier DMS ferromagnétique synthétisé futDMS, the latter can become ferromagnetic and the exchange coupling between manganese ions is induced by the holes. The first synthesized ferromagnetic DMS was
InMnAs en 1992 (H. Ohno et al, Phys. Rev. Lett. 68, 2664 (1992)). Depuis, de nombreux autres DMS ferromagnétiques ont été fabriqués comme le GaMnAs (H. Ohno et al,InMnAs 1992 (H. Ohno et al, Phys Rev. Lett 68, 2664 (1992)). Since then, many other ferromagnetic DMS have been manufactured such as GaMnAs (H. Ohno et al,
Science 281, 951 (1998)), le ZnMnTe (D. Ferrand et al, Phys. Rev. B 63, 085201 (2001)), le ZnCrTe (H. Saito et al, Phys. Rev. Lett. 90, 207202 (2003)) ou le GaMnN (M. L. Reed et al, Appl. Phys. Lett. 79, 3473 (2001)).Science 281, 951 (1998)), ZnMnTe (D. Ferrand et al., Phys Rev. B 63, 085201 (2001)), ZnCrTe (H. Saito et al, Phys Rev. Lett 90, 207202 ( 2003)) or GaMnN (ML Reed et al, Appl Phys Lett 79, 3473 (2001)).
Un inconvénient majeur de ces DMS est qu'ils présentent tous à ce jour une température de Curie Tc (température jusqu'à laquelle le semi-conducteur présente des propriétés ferromagnétiques) inférieure ou égale à la température ambiante (typiquement <A major disadvantage of these DMS is that they all presently have a Curie temperature Tc (temperature up to which the semiconductor has ferromagnetic properties) less than or equal to the ambient temperature (typically <
300 K environ). On pourra par exemple se référer à l'article K. W. Edmonds et al., Phys.About 300 K). For example, see K. K. Edmonds et al., Phys.
Rev. Lett. 92, 037201, 2004, qui décrit un semi-conducteur de formule GaMnAs présentant une température de Curie d'environ 159 K seulement, et à l'article H. Saito et al., Phys. Rev. Lett. 90, 207202, 2003, qui décrit des DMS répondant à la formule Zm-xCrxTe et présentant une température de Curie sensiblement égale à 300 K (± 10 K), lorsque x =Rev. Lett. 92, 037201, 2004, which discloses a semiconductor of formula GaMnAs having a Curie temperature of only about 159 K, and to the article H. Saito et al., Phys. Rev. Lett. 90, 207202, 2003, which describes DMS corresponding to the formula Zm- x Cr x Te and having a Curie temperature substantially equal to 300 K (± 10 K), when x =
0,20.0.20.
Un autre inconvénient de ces DMS réside dans la formation indésirable mais fréquente de petits précipités métalliques ferromagnétiques au sein de la matrice semi-conductrice, ce qui ne plaide pas en faveur de propriétés réellement ferromagnétiques pour ces DMS et rend l'étape de croissance des cristaux très difficile à réaliser.Another disadvantage of these DMS lies in the undesirable but frequent formation of small ferromagnetic metal precipitates within the semiconductor matrix, which does not plead in favor of truly ferromagnetic properties for these DMS and makes the crystal growth step very difficult to achieve.
On notera en outre que la mise en oeuvre de ces matériaux à base de gallium ou de tellure est très difficile à concevoir sur des substrats en silicium, matériau de base de l'industrie microélectronique. La demande de Brevet US-B-6 946 301 divulgue un procédé de fabrication hors équilibre par évaporation thermique d'un semi-conducteur ferromagnétique amorphe de type GeMn, qui présente une température de Curie pouvant atteindre 250 K, pour un taux de manganèse d'environ 35 %. La demande de Brevet US-B-6 307 241 enseigne, dans son unique exemple de réalisation, de fabriquer un semi-conducteur ferromagnétique de type III-V (GaAs) de température de Curie Tc supérieure à 400 K, par la technique d'implantation ionique d'ions manganèse (Mn+) suivie d'un recuit. Comme cela est connu de l'homme du métier (voir notamment l'article Magnetooptical Study of Mn ions Implanted in Ge, Franco D'Orazio et al., IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 38, No. 5, September 2002), on notera que cette technique d'implantation n'est pas adaptée à la fabrication de matériaux magnétiques à base d'un élément semi-conducteur du groupe IVA (typiquement à base de germanium) de Tc > 350 K, étant précisé que la phase ainsi obtenue, de type Ge3Mn5, présente une Tc n' excédant j amais 300 K.It should further be noted that the use of these materials based on gallium or tellurium is very difficult to design on silicon substrates, the basic material of the microelectronics industry. Patent Application US Pat. No. 6,946,301 discloses a non-equilibrium thermal evaporative fabrication method of an amorphous ferromagnetic semiconductor of the GeMn type, which has a Curie temperature of up to 250 K, for a manganese d about 35%. The patent application US Pat. No. 6,307,241 teaches, in its sole exemplary embodiment, to manufacture a ferromagnetic semiconductor of type III-V (GaAs) with a Curie temperature Tc greater than 400 K, by the technique of ion implantation of manganese ions (Mn + ) followed by annealing. As is known to those skilled in the art (see in particular the article Magnetooptical Study of Mn ions Implanted in Ge, Franco D'Orazio et al., IEEE Transactions on Magnetics, Vol 38, No. 5, September 2002), it should be noted that this implantation technique is not adapted to the manufacture of magnetic materials based on a semiconductor element of group IVA (typically based on germanium) of Tc> 350 K, it being specified that the phase thus obtained, of type Ge 3 Mn 5 , has a Tc no more than 300 K.
Un inconvénient majeur de ces semi-conducteurs magnétiques connus réside dans leur température de Curie relativement basse, qui est généralement limitée à environ 300 K. De plus, lorsque la température de Curie mesurée est proche de 300 K, il est difficile d'exclure la présence de la phase métallique Ge3Mn5, dont la température de Curie est précisément proche de 300 K.A major disadvantage of these known magnetic semiconductors lies in their relatively low Curie temperature, which is generally limited to about 300 K. Moreover, when the measured Curie temperature is close to 300 K, it is difficult to exclude the presence of the Ge 3 Mn 5 metal phase, whose Curie temperature is precisely close to 300 K.
Une solution récemment proposée par Jamet et al. (Jamet et al. Nature Materials 5, 653-659, 2006 ; WO2007/090946) consiste à synthétiser un alliage de germanium et de manganèse constituant un semi-conducteur magnétique présentant une température de Curie supérieure à la température ambiante. Ce matériau se caractérise par une modulation spatiale de la composition en manganèse, modulation qui permet l'apparition de la phase semi-conductrice magnétique dans les régions riches en manganèse. Ces régions enrichies en manganèse ne présentent pas une composition similaire à celle des composés connus du diagramme de phase de l'alliage binaire Ge-Mn. Elles peuvent alors être utilisées pour une variété d'applications en spintronique. Cependant, cette inhomogénéité spatiale, à l'origine des bonnes propriétés de ce matériau, limite aussi sa mise en oeuvre dans des dispositifs qui nécessiteraient plutôt une phase homogène, comme par exemple une électrode d'injection d'un courant polarisé en spin, qui présente un grand intérêt en microélectronique, ou comme le transistor à spin FET, le spin Qbit ou les dispositifs de stockage d'information de type MRAM. V. Ko et al, AIP Conf. Proc. 893, 1229 (2007) ont décrit un composé ferromagnétique avec une Tc au delà de 400°C de type DMS et de formule Sio.75Geo.25 avec 8 et 12 % de concentration moyenne de Mn obtenu après implantation d'ions Mn+ suivie de recuit à 800 ou 900°C. Ce matériau s'est révélé être inhomogène et composé petits précipités métalliques ferromagnétiques au sein de la matrice semi-conductrice après analyse des échantillons par EXAFS et MET (microscopie électronique à transmission) (« Corrélation of structural and magnetic properties of ferromagnetic Mn-implanted Si1- xGex films » V. Ko, et al, J. Appl. Phys. 103, 053912 (2008)). Le même type de matériau a été produit par implantation de Mn+ dans Sii-xGex pour x variant de 0 à 0,5 : le matériau obtenu était également non homogène, avec des précipités métalliques de type Mn4Si7 pour x < 0,2 et de type Mn7Ge3 pour x > 0,2 (V. Ko, et al, J. Appl. Phys. 103, 053912 (2008)). La présence de ces petits précipités métalliques au sein de la matrice semi-conductrice ne permet pas d'obtenir des propriétés réellement ferromagnétiques pour ces matériaux. US-5,296,048 décrit un matériau semi-conducteur appartenant à la famille des groupes III-V ou des matériaux du groupe IV, auquel est associé un élément de transition ou une terre rare en quantité suffisante pour conférer au matériau des propriétés magnétiques. Les matériaux décrits dans ce document sont des semi-conducteurs dilués (DMS), lorsqu'un matériau du groupe IV est employé, l'élément magnétique est présent à une concentration maximale inférieure à 1%.A solution recently proposed by Jamet et al. (Jamet et al., Nature Materials 5, 653-659, 2006, WO2007 / 090946) consists of synthesizing an alloy of germanium and manganese constituting a magnetic semiconductor having a Curie temperature higher than room temperature. This material is characterized by a spatial modulation of the manganese composition, a modulation that allows the appearance of the magnetic semiconductor phase in the manganese-rich regions. These manganese enriched regions do not have a composition similar to that of the known compounds of the phase diagram of the Ge-Mn binary alloy. They can then be used for a variety of spintronic applications. However, this spatial inhomogeneity, at the origin of the good properties of this material, also limits its implementation in devices that would rather require a homogeneous phase, such as for example an injection electrode of a spin polarized current, which is of great interest in microelectronics, or as the FET spin transistor, Qbit spin or MRAM type information storage devices. V. Ko et al, AIP Conf. Proc. 893, 1229 (2007) described a ferromagnetic compound with a Tc above 400 ° C DMS type and formula Si o.75 Geo. 25 with 8 and 12% of average Mn concentration obtained after Mn + ion implantation followed by annealing at 800 or 900 ° C. This material was found to be inhomogeneous and composed small precipitates ferromagnetic metal within the semiconductor die after analysis of samples by EXAFS and TEM (transmission electron microscopy) ( "Correlation of structural and magnetic properties of ferromagnetic Mn-implanted If 1- x Ge x film" Ko V. , et al., J. Appl Phys 103, 053912 (2008)). The same type of material was produced by implantation of Mn + in Si x Ge x for x varying from 0 to 0.5: the material obtained was also nonhomogeneous, with Mn 4 Si 7 metal precipitates for x 0.2 and of Mn 7 Ge 3 type for x> 0.2 (see Ko, et al., J. Appl Phys 103, 053912 (2008)). The presence of these small metal precipitates within the semiconductor matrix does not make it possible to obtain truly ferromagnetic properties for these materials. US-5,296,048 discloses a semiconductor material belonging to the family of groups III-V or materials of group IV, which is associated with a transition element or a rare earth in an amount sufficient to impart to the material magnetic properties. The materials described herein are diluted semiconductors (DMS), when a Group IV material is employed, the magnetic element is present at a maximum concentration of less than 1%.
Le document M. Bolduc et al, Physical Review B71, 033302 (2005) décrit un matériau Mn/Si avec une température de Curie supérieure à 400K. Les matériaux décrits dans ce document sont des semi-conducteurs dilués (DMS), l'élément magnétique est présent à une concentration maximale inférieure à 0,8%. Le document E.S.Demidov et al, JETP Letters, vol. 83, 25/08/06, 568-The document M. Bolduc et al, Physical Review B71, 033302 (2005) describes an Mn / Si material with a Curie temperature greater than 400K. The materials described in this document are diluted semiconductors (DMS), the magnetic element is present at a maximum concentration of less than 0.8%. E.S.Demidov et al, JETP Letters, Vol. 83, 25/08/06, 568-
571_décrit des matériaux magnétiques semi-conducteurs à base de Ge ou Si et de Mn ou Fe. Dans ces matériaux, l'élément magnétique est présent à une concentration comprise entre 13 et 15 %. Ces matériaux sont obtenus par un procédé (ablation laser) distinct de celui de l'invention. Et les valeurs de résistivité mesurées par les auteurs (entre 10"4 et 10"6 Ohm.m) permettent de supposer la présence de précipités métalliques.It describes magnetic semiconductor materials based on Ge or Si and Mn or Fe. In these materials, the magnetic element is present at a concentration of between 13 and 15%. These materials are obtained by a method (laser ablation) distinct from that of the invention. And the resistivity values measured by the authors (between 10 "4 and 10 " 6 Ohm.m) allow to assume the presence of metal precipitates.
La présente invention propose de préparer un nouveau matériau magnétique homogène cristallin, en particulier une solution solide diluée de Mn dans Ge, qui n'est pas décrite dans le diagramme de phase (à P atmosphérique, le diagramme Température / Concentration) d'équilibre de ce matériau. En effet, dans le cas de GeMn, la limite de solubilité du Mn dans le Ge est très inférieure à 0,1 at %. Au delà de cette limite on devrait obtenir la précipitation d'une phase riche en Mn (MnπGeg ou Mn5Ge3) dans une matrice de Ge. Le matériau de l'invention existe dans une gamme de concentration autour de 20-45 at. % de Mn. Cette concentration est inférieure à celle des précipités riches en Mn cités ci-dessus (respectivement 58 et 62,5 at. %). Dans l'art antérieur les réalisations concernent des matériaux cristallins dont la concentration de Mn est inférieure à 15% at. Par ailleurs des analyses poussées de tels matériaux (MET) ont révélé la précipitation d'une seconde phase Mn] \ Ges ou Mn5Ge3, ces matériaux ne sont donc pas homogènes.The present invention proposes to prepare a new crystalline homogeneous magnetic material, in particular a dilute solid solution of Mn in Ge, which is not described in the equilibrium phase diagram (at atmospheric P, the Temperature / Concentration diagram). this material. Indeed, in the case of GeMn, the solubility limit of Mn in Ge is much lower than 0.1 at%. Beyond this limit one should obtain the precipitation of a phase rich in Mn (MnπGeg or Mn5Ge3) in a matrix of Ge. The material of the invention exists in a concentration range around 20-45 at. % of Mn. This concentration is lower than that of rich precipitates in Mn cited above (respectively 58 and 62.5 at.%). In the prior art, the embodiments relate to crystalline materials whose concentration of Mn is less than 15 at%. Furthermore, extensive analyzes of such materials (TEM) have revealed the precipitation of a second phase Mn] \ Ges or Mn5Ge3, these materials are therefore not homogeneous.
Les matériaux cristallins, contrairement aux matériaux amorphes, présentent un ordre à longue distance dans leur structure. Les matériaux cristallins peuvent être différenciés des matériaux amorphes par des expériences de diffraction des rayons X5 par exemple sur un matériau massif ou sur une poudre : un cristal donne lieu à des pics de diffraction localisés spatialement alors qu'un composé amorphe produit de larges bosses. La première bosse correspond aux corrélations entre un atome donné et ses plus proches voisins, la deuxième correspond aux corrélations entre cet atome et ses seconds plus proches voisins etc. La largeur des bosses augmente avec l'ordre des voisins, ce qui signifie que les corrélations deviennent de plus en plus faibles : l'ordre local pour un atome donné ne dépasse pas les 5e ou 6e voisins. Outre les avantages précédemment cités, le matériau, dans la mesure où il est cristallin, permet une reprise d'épitaxie pour les couches cristallines qui seraient déposées par la suite à sa surfaces pour préparer des dispositifs d'électronique ou de spintronique complets, une telle reprise serait beaucoup plus délicate à mettre en oeuvre si le matériau était amorphe. Par ailleurs, la structure cristalline du matériau permet d'assurer une longueur de diffusion des spins, paramètre capital en spintronique, importante et comparativement supérieure à celle attendue dans les matériaux amorphes.Crystalline materials, unlike amorphous materials, have a long-range order in their structure. The crystalline materials may be distinguished from amorphous materials by diffraction experiments X-rays 5 for example on a solid material or a powder: a crystal gives rise to diffraction peaks spatially localized while a large bumps product amorphous compound . The first hump corresponds to the correlations between a given atom and its nearest neighbors, the second corresponds to the correlations between this atom and its nearest neighbors. The width of the bumps increases with the order of the neighbors, which means that the correlations become weaker and weaker: the local order for a given atom does not exceed the 5 th or 6 th neighbors. In addition to the aforementioned advantages, the material, insofar as it is crystalline, allows an epitaxial recovery for the crystalline layers that would subsequently be deposited on its surfaces to prepare complete electronic or spintronic devices, such recovery would be much more difficult to implement if the material was amorphous. Moreover, the crystalline structure of the material makes it possible to ensure a spin diffusion length, a key parameter in spintronics, which is large and comparatively higher than that expected in amorphous materials.
Un but de la présente invention est de proposer un matériau magnétique cristallin sensiblement homogène qui permette de remédier aux inconvénients précités à la fois des métaux (le matériau de l'invention a une résistivité d'environ 10"3 Ohm.m, contre moins de 10"7 Ohm.m pour les métaux) et des DMS connus (le matériau de l'invention a une température de Curie supérieure ou égale à 350 K), et ce but est atteint à l'aide d'un matériau magnétique à base d'au moins un élément du groupe IVA, préférentiellement de Ge et/ou de Si, comprenant au moins un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome, les propriétés du matériau étant obtenues grâce à la stabilisation de l'élément de transition, en particulier du manganèse, en position interstitielle de la maille diamant. Cette position de l'élément de transition, notamment du manganèse, dans le réseau semi-conducteur est induite par le maintient du matériau sous déformation au cours de son élaboration. Un autre but est de proposer un matériau magnétique dont la Tc est contrôlable, la Tc pouvant aller au delà de la température ambiante. En outre, selon une variante de l'invention, on peut préparer un matériau comportant des zones localisées selon un schéma prédéterminé dont le magnétisme et la Tc sont contrôlés et différents de ceux des autres parties du matériau. La possibilité d'obtenir sur un même dispositif des zones magnétiques dont la Tc peut être différente peut aussi être exploitée pour permettre de produire un dispositif dont la réponse est fonction de la température, tel qu'une mémoire magnétique à plat par exemple.An object of the present invention is to provide a substantially homogeneous crystalline magnetic material which makes it possible to overcome the aforementioned drawbacks of both metals (the material of the invention has a resistivity of approximately 10 -3 Ohm.m, against less than 10 "7 Ohm.m for metals) and known DMS (the material of the invention has a Curie temperature greater than or equal to 350 K), and this goal is achieved using a magnetic material based at least one element of group IVA, preferably Ge and / or Si, comprising at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium, the properties of the material being obtained by stabilizing the transition element, in particular manganese, in the interstitial position of the diamond mesh. This position of the transition element, in particular manganese, in the semiconductor network is induced by the maintenance of the material under deformation during its preparation. Another object is to propose a magnetic material whose Tc is controllable, the Tc can go beyond the ambient temperature. In addition, according to a variant of the invention, it is possible to prepare a material comprising localized zones according to a predetermined pattern whose magnetism and Tc are controlled and different from those of the other parts of the material. The possibility of obtaining on the same device magnetic zones whose Tc can be different can also be exploited to produce a device whose response is a function of temperature, such as a flat magnetic memory for example.
Pour cela un nouveau procédé de synthèse a été mis au point, cette voie de synthèse permettant d'obtenir un film d'un matériau homogène, alliage d'un semiconducteur, avantageusement le germanium, et d'un élément de transition, avantageusement le manganèse, ce film étant magnétique à température ambiante et présentant des propriétés comparables à celles de Ia phase enrichie en manganèse des alliages élaborés en suivant le procédé décrit dans WO2007/090946. Cette voie de synthèse permet d'obtenir un alliage de germanium et de manganèse, magnétique, sous forme d'un film de composition homogène. Le matériau synthétisé, objet de l'invention, se caractérise par une température de Curie élevée. Lorsqu'il est composé de Ge et de Mn, sa composition et sa structure sont différentes de celles des composés connus du diagramme de phase de l'alliage binaire Ge-Mn (Ge3Mn5 ou Ge8Mn1]). Et en particulier, l'élément de transition est majoritairement en position interstitielle dans le réseau cristallin du semi-conducteur (maille de type diamant). Une certaine proportion de l'élément de transition en position substitutionnelle est cependant nécessaire pour obtenir un matériau magnétique à aimantation au repos non nulle. De plus, la température de Curie de ce matériau est contrôlée par la proportion de l'élément de transition en position substitutionnelle (par rapport à la position interstitielle) (voir figureFor this purpose, a new synthetic process has been developed, this synthesis route making it possible to obtain a film of a homogeneous material, alloy of a semiconductor, advantageously germanium, and a transition element, advantageously manganese. this film being magnetic at room temperature and having properties comparable to those of the manganese enriched phase of the alloys produced by following the method described in WO2007 / 090946. This synthetic route makes it possible to obtain an alloy of germanium and of manganese, magnetic, in the form of a film of homogeneous composition. The synthesized material object of the invention is characterized by a high Curie temperature. When it is composed of Ge and Mn, its composition and structure are different from those of the known compounds of the phase diagram of the Ge-Mn binary alloy (Ge 3 Mn 5 or Ge 8 Mn 1 )). And in particular, the transition element is predominantly in the interstitial position in the crystal lattice of the semiconductor (diamond type mesh). A certain proportion of the transition element in the substitutional position is, however, necessary to obtain a magnetic material with non-zero resting magnetization. In addition, the Curie temperature of this material is controlled by the proportion of the transition element in the substitutional position (relative to the interstitial position) (see FIG.
I)-I) -
Dans un alliage à base : d'une part d'un matériau cristallin A et d'autre part d'un élément B, l'élément B peut occuper au moins 2 types de position différents dans le réseau de A (voir figure Ia-Ic). Dans le cas présenté, le matériau cristallin A est le germanium (figure 1 a), et l'élément B est le manganèse. On peut trouver l'élément B :In an alloy based on: on the one hand a crystalline material A and on the other hand an element B, the element B can occupy at least 2 different types of position in the network of A (see FIG. Ic). In the case presented, crystalline material A is germanium (Figure 1a), and element B is manganese. We can find the element B:
En position substitutionnelle (figure Ib), chaque atome de B vient prendre la place d'un atome de A. Il s'agit d'une forme d'alliage classique dite de substitution. Mais un alliage classique d'un élément de transition tel que Mn, dans un semi- conducteur, tel que Ge, ne permet pas d'obtenir des températures de Curie supérieures à la température ambiante.In substitutive position (figure Ib), each atom of B comes to take the place of an atom of A. It is about a form of classic alloy of substitution. But a classical alloy of a transition element such as Mn, in a semi- Conductor, such as Ge, does not make it possible to obtain Curie temperatures higher than the ambient temperature.
En position interstitielle (figure Ic), la maille des atomes A est conservée, et chaque atome de B se place dans les interstices du cristal A (par exemple des sites octaédriques ou tétraédriques dans le cas de la maille diamant). Il s'agit d'une forme d'alliage dite d'insertion. Ce type d'alliages est normalement observé avec des éléments B de petite taille, par exemple l'hydrogène, le bore, le carbone ou l'azote.In the interstitial position (FIG. 1c), the mesh of the atoms A is conserved, and each atom of B is placed in the interstices of the crystal A (for example octahedral or tetrahedral sites in the case of the diamond mesh). This is a form of so-called insertion alloy. This type of alloy is normally observed with small B-elements, for example hydrogen, boron, carbon or nitrogen.
Avantageusement, dans le matériau de l'invention, entre 15 et 45% de l'élément de transition est en position substitutionnelle (par rapport à la quantité totale~~d' élément de transition), et de préférence entre 20 et 35 %.Advantageously, in the material of the invention, between 15 and 45% of the transition element is in substitutional position (relative to the total amount ~~ of transition element), and preferably between 20 and 35%.
Le matériau magnétique de l'invention peut être obtenu grâce à un procédé nouveau qui comporte plusieurs variantes et dont les caractéristiques sont les suivantes :The magnetic material of the invention can be obtained by means of a novel process which comprises several variants and whose characteristics are as follows:
Le procédé de fabrication du matériau magnétique selon l'invention comporte au moins une étape d'épitaxie par jets moléculaires comprenant un dépôt simultané d'au moins un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome et d'au moins un autre élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique, sur un substrat choisi suivant des critères qui sont définis ci-dessous. La température du substrat pendant le dépôt est sujette à ajustement.The method for manufacturing the magnetic material according to the invention comprises at least one molecular beam epitaxy step comprising a simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the periodic table, on a substrate selected according to criteria which are defined below. The temperature of the substrate during deposition is subject to adjustment.
Toutefois, cette température de croissance est très inférieure aux températures de croissance comprises entre 550°C et 6000C qui sont communément utilisées dans l'épitaxie de matériaux semi-conducteurs du groupe IV. Cette procédure permet en effet de stabiliser des phases métastables riches en éléments magnétiques tels que le manganèse. Le choix du substrat constitue une caractéristique essentielle du procédé de l'invention. Le substrat est avantageusement constitué d'un alliage semi-conducteur binaire ou ternaire, éventuellement quaternaire, de structure diamant ou Zinc-blende (éventuellement de type Wurtzite). Les atomes entrant dans la constitution du substrat peuvent notamment être choisis parmi les éléments suivants : Al, In, Ga, As, Sb, P, C, Si, Ge.However, this growth temperature is much lower than the growth temperatures of between 550 ° C. and 600 ° C., which are commonly used in the epitaxy of Group IV semiconductor materials. This procedure makes it possible to stabilize metastable phases rich in magnetic elements such as manganese. The choice of the substrate constitutes an essential characteristic of the process of the invention. The substrate is advantageously constituted by a binary or ternary semiconductor alloy, possibly quaternary, with a diamond or zinc-blende structure (possibly of Wurtzite type). The atoms involved in the constitution of the substrate may in particular be chosen from the following elements: Al, In, Ga, As, Sb, P, C, Si, Ge.
De préférence, le substrat utilisé pour mettre en œuvre ce procédé est à base d'un ou de plusieurs atomes choisis dans le groupe constitué par (In, Ga, As, Sb, P) ou (Si, Ge, C) et les alliages de ces derniers, par exemple : In1-xGaxAs, GaAs1-xSbx, In1-xGaxP, Si1-xGex, et x représente un nombre tel quePreferably, the substrate used to implement this process is based on one or more atoms selected from the group consisting of (In, Ga, As, Sb, P) or (Si, Ge, C) and alloys of these, for example: In 1-x Ga x As, GaAs 1-x Sb x , In 1-x Ga x P, Si 1-x Ge x , and x is a number such that
O ≤ x ≤ l ou Sii-x-yGexCy et x et y représentent des nombres tels queO ≤ x ≤ l or Sii- xy Ge x C y and x and y represent numbers such that
O < x, O < y, O < x +y < 1.O <x, O <y, O <x + y <1.
Selon une première variante, le procédé de fabrication du matériau magnétique selon l'invention comporte au moins une étape d'épitaxie par jets moléculaires comprenant un dépôt simultané d'au moins un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome et d'au moins un autre élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique, sur un substrat dont le désaccord de maille avec le ou les élément(s) choisi(s) dans le groupe IVA de la classification périodique est compris entre 0,1 et 10 % en valeur absolue, et dont la température pendant la croissance des cristaux est comprise entre 80° C et 200° C, préférentiellement entre 100° C et 150° C, conduisant à l'obtention d'une couche mince dudit semi-conducteur du groupe IVA, dans laquelle sont insérés les atomes d'élément(s) magnétique(s).According to a first variant, the manufacturing method of the magnetic material according to the invention comprises at least one step of molecular beam epitaxy comprising a simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron , cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the periodic table, on a substrate whose mesh mismatch with the element (s) chosen in group IVA of the periodic table is between 0.1 and 10% in absolute value, and whose temperature during crystal growth is between 80 ° C and 200 ° C, preferably between 100 ° C and 150 ° C , leading to obtaining a thin layer of said group IVA semiconductor, in which are inserted the magnetic element (s) atoms.
Le support est choisi de façon à ce que son paramètre de maille soit supérieur ou inférieur de 0,1 jusqu'à 10% par rapport à celui du semi-conducteur (élément choisi dans le groupe IVA) utilisé pour le matériau de l'invention, avantageusement entre 1 et 5 %, et de préférence entre 2 et 4 % lorsque l'élément du groupe IVA est le Germanium et que l'élément de transition est le Manganèse.The support is chosen so that its mesh parameter is 0.1 to 10% higher or lower than that of the semiconductor (element chosen in group IVA) used for the material of the invention. advantageously between 1 and 5%, and preferably between 2 and 4% when the group IVA element is Germanium and the transition element is Manganese.
La dilatation ou la contraction du substrat peuvent être modulées pour gérer la stabilité relative des défauts interstitiels par rapport aux substitutionnels de la façon suivante : Dans le germanium à l'équilibre, hors contrainte, c'est la position substitutionnelle qui est stable. Pour obtenir la structure magnétique dans le germanium, constitutive du matériau suivant l'invention, il faut favoriser la formation des interstitiels par rapport aux substitutionnels. La stabilisation d'une telle structure est obtenue dans le Ge grâce à une contrainte de dilatation qui stabilise l'interstitiel par rapport au substitutionnel (paramètre de maille du substrat supérieur de 0,1 à 10% par rapport à celui du Ge). Cette contrainte est obtenue grâce à l'utilisation d'un substrat présentant un paramètre de maille supérieur à celui du Ge, notamment une dilatation de 2 à 4%, et en particulier d'environ 3%, donne de bons résultats. Dans le silicium, la situation est inversée : c'est l'interstitiel qui est stable à l'équilibre et le substitutionnel est moins stable, il est donc nécessaire d'utiliser un substrat permettant de contracter légèrement le silicium (paramètre de maille du substrat inférieur de 0,1 à 10% par rapport à celui du Si), et de préférence un substrat de paramètre de maille inférieur de 0,5 à 5% par rapport à celui de Si.The expansion or contraction of the substrate can be modulated to manage the relative stability of the interstitial defects with respect to the substituents as follows: In equilibrium germanium, out of stress, it is the substitutional position that is stable. To obtain the magnetic structure in germanium, which constitutes the material according to the invention, it is necessary to promote the formation of interstitials with respect to the substituents. The stabilization of such a structure is obtained in the Ge thanks to a dilation stress which stabilizes the interstitial with respect to the substitutional (mesh parameter of the upper substrate of 0.1 to 10% compared to that of the Ge). This constraint is obtained through the use of a substrate having a mesh parameter greater than that of Ge, in particular an expansion of 2 to 4%, and in particular of about 3%, gives good results. In silicon, the situation is reversed: it is the interstitial that is stable at equilibrium and the substitutional is less stable, it is therefore necessary to use a substrate for slightly contracting the silicon (substrate mesh parameter 0.1 to 10% lower than that of Si), and preferably a mesh parameter substrate 0.5 to 5% lower than that of Si.
Dans le cas où l'élément du groupe IVA est un alliage Si]-xGex, la même procédure est utilisée pour le choix du substrat i.e. on stabilise l'interstitiel par rapport au substitutionnel, mais sans excès. Pour cela on utilise un substrat de paramètre de maille inférieur à celui de l'alliage Si1-xGex si l'interstitiel est stable à l'équilibre et un substrat de paramètre de maille supérieur à celui de l'alliage Si1-xGex si le substitutionnel est stable à l'équilibre. Dans la littérature on trouve une limite établie de façon théorique à environ x<0,25 (x≈0,16) pour ce changement de stabilité (Da Silva Phys. Rev. B 70, 193205In the case where the element of the group IVA is an alloy Si] -x Ge x , the same procedure is used for the choice of the substrate ie the interstitial is stabilized with respect to the substitutional, but without excess. For this purpose, a mesh parameter substrate smaller than that of the Si 1-x Ge x alloy is used if the interstitial is stable at equilibrium and a mesh parameter substrate greater than that of the Si- 1 alloy. x Ge x if the substitutional is stable at equilibrium. In the literature we find a theoretically established limit at about x <0.25 (x≈0.16) for this change in stability (Da Silva Phys Rev. B 70, 193205
(2004)).(2004)).
Lorsque l'élément du groupe IVA est un alliage Si1-xGex avec 0,25 < x < 1, il faut dilater en utilisant dans le procédé de l'invention un substrat de paramètre de maille supérieur de 0,1 à 10 % à celui de Sii-xGex de façon à favoriser la position interstitielle de l'élément de transition et pour obtenir le matériau suivant l'invention.When the element of group IVA is an alloy Si 1-x Ge x with 0.25 <x <1, it is necessary to dilate using in the method of the invention a substrate with a mesh parameter greater than 0.1 to 10 % than that of Si -x Ge x so as to promote the interstitial position of the transition member and to obtain the material according to the invention.
Lorsque l'élément du groupe IVA est un alliage Sii-xGex avec 0 < x <When the element of group IVA is an alloy Sii -x Ge x with 0 <x <
0,16, il faut contracter en utilisant dans le procédé de l'invention un substrat de paramètre de maille inférieur de 0,1 àlO % à celui de Si1-xGex pour diminuer la stabilité de l'interstitiel par rapport au substitutionnel et pour obtenir le matériau suivant l'invention.0.16, it is necessary to contract using in the method of the invention a mesh parameter substrate 0.1 to 10% lower than that of Si 1-x Ge x to reduce the stability of the interstitial compared to the substitutional and to obtain the material according to the invention.
Le paramètre de maille d'un alliage de substitution tel que ceux utilisés comme substrats dans la présente invention, peut être calculé à l'aide de méthodes bien connues de l'homme du métier et décrites notamment en première approximation par la loi de Végard qui indique que dans le cas d'alliages où il y a miscibilité sur toute l'échelle de concentrations, le paramètre de la maille élémentaire de l'alliage varie de façon linéaire entre les paramètres respectifs des deux composés purs.The mesh parameter of a substitution alloy such as those used as substrates in the present invention can be calculated using methods well known to those skilled in the art and described in particular in a first approximation by the law of Végard which indicates that in the case of alloys in which there is miscibility throughout the concentration scale, the parameter of the elementary mesh of the alloy varies linearly between the respective parameters of the two pure compounds.
Les paramètres de maille des différents alliages semi-conducteurs peuvent être retrouvés par exemple sur : http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/ ou sur : http://www.semiconductors.co.uk/home.htm ou dans « Semiconductor Materials »,The mesh parameters of the various semiconductor alloys can be found for example on: http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/ or on: http://www.semiconductors.co.uk/ home.htm or in Semiconductor Materials,
Lev I. Berger, (CRC Press, Boca Raton, 1997) ou dans « Fundamentals ofLev I. Berger, (CRC Press, Boca Raton, 1997) or in "Fundamentals of
Semiconductors », Peter Y. Yu and Manuel Cardona, (Springer, 2005). Lorsque l'élément du groupe IVA est un alliage Si1-xGex, comme cela a été exposé ci-dessus, on choisit soit de comprimer soit de dilater en fonction de la concentration en germanium x.Semiconductors, "Peter Y. Yu and Manuel Cardona, (Springer, 2005). When the group IVA element is an Si 1-x Ge x alloy, as discussed above, either compression or expansion is chosen depending on the germanium x concentration.
Un substrat adapté peut être obtenu facilement dans chaque cas : on peut notamment employer un substrat de formule Si1-2Ge2 (dont le paramètre de maille varie de 5,43 à 5,66 Â pour z croissant de 0 à 1) soit un substrat de formule Ini-yGayP (dont le paramètre de maille varie de 5,44 à 5,86 Â pour y décroissant de 1 à 0).A suitable substrate can be obtained easily in each case: it is possible to use a substrate of formula Si 1-2 Ge 2 (whose mesh parameter varies from 5.43 to 5.66 Å for z increasing from 0 to 1). a substrate of formula Ini y Ga y P (whose lattice parameter varies from 5.44 to 5.86 Å for descending it from 1 to 0).
Selon une seconde variante, le procédé de fabrication du matériau magnétique selon l'invention comporte au moins une étape d'épitaxie par jets moléculaires " comprenant un dépôt simultané d'au moins un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome et d'au moins un autre élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique, sur un substrat dont le désaccord de maille avec le ou les élément(s) choisi(s) dans le groupe IVA de la classification périodique est inférieur à 1 % en valeur absolue, de préférence inférieure à 0,5%, et dont la température pendant la croissance des cristaux est comprise entre 80° C et 200° C, préférentiellement entre 100° C et 150° C, conduisant à l'obtention d'une couche mince dudit semi-conducteur du groupe IVA, dans laquelle sont insérés les atomes d'élément(s) magnétique(s).In a second embodiment, the manufacturing process of the magnetic material according to the invention comprises at least one epitaxy step by molecular beam "comprising simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the Periodic Table, on a substrate whose mesh mismatch with the element (s) chosen (s) ) in group IVA of the periodic table is less than 1% in absolute value, preferably less than 0.5%, and whose temperature during crystal growth is between 80 ° C and 200 ° C, preferably between 100 ° C and 150 ° C, leading to obtaining a thin layer of said group IVA semiconductor, in which are inserted the magnetic element (s) atoms (s).
Cette variante est utilisée lorsque l'élément du groupe IVA est un alliage Si1-xGex avec 0,16 < x < 0,25. La croissance peut alors être faite directement sur un substrat Sii-yGey avec x ≈ y, car la stabilité relative des interstitiels par rapport aux substitutionnels permet sans contrainte d'obtenir la phase magnétique du matériau de la présente invention. Cependant, une légère contrainte positive ou négative pourra être avantageusement appliquée pour favoriser le bon ratio de substitutionnels par rapport aux interstitiels car c'est ce ratio qui contrôle la température de curie et l'aimantation totale de la structure.This variant is used when the element of group IVA is an alloy Si 1-x Ge x with 0.16 <x <0.25. Growth can then be made directly on a Si substrate -y Ge y with x ≈ y, as the relative stability compared to interstitials substitutional allows unconstrained to obtain the magnetic phase of the present invention material. However, a slight positive or negative constraint can be advantageously applied to favor the good ratio of substitutes with respect to the interstitials because it is this ratio which controls the curie temperature and the total magnetization of the structure.
Le positionnement des atomes de l'élément de transition par rapport au réseau semi-conducteur peut être observé en fonction de leur concentration soit par diffraction aux rayons X pour les concentrations supérieures à 10% en volume, soit par EXAFS (pour Extended X-Ray Absorption Fine Structure ou absorption aux rayons X des structures fines) pour toutes les concentrations (mais cette méthode nécessite un Synchrotron) soit plus simplement par la technique RBS (pour Rutherford Backscattering Spectrometry ou spectrométrie par rétrodiffusion de Rutherford) pour toutes concentrationsThe position of the atoms of the transition element with respect to the semiconductor network can be observed as a function of their concentration either by X-ray diffraction for concentrations greater than 10% by volume, or by EXAFS (for Extended X-Ray Absorption Fine Structure or X-ray absorption of fine structures) for all concentrations (but this method requires a synchrotron) or more simply by the RBS technique (for Rutherford Backscattering Spectrometry or Rutherford Backscattering Spectrometry) for all concentrations
La technique de RBS consiste à examiner la répartition énergétique d'ions He+ très énergétiques (> 2 MeV) rétrodiffusés par la région proche de la surface de l'échantillon. La composition et la répartition en profondeur des éléments présents dans l'échantillon peuvent en être déduits. Des données quantitatives de la cristallinité du matériau peuvent également être obtenues.The RBS technique involves examining the energy distribution of highly energetic He + ions (> 2 MeV) backscattered by the near-surface region of the sample. The composition and the depth distribution of the elements present in the sample can be deduced from it. Quantitative data of the crystallinity of the material can also be obtained.
Plus précisément, on peut utiliser la technique dite de « channeling », dont un exemple est donné dans la publication suivante qui mesure le taux d'interstitiels et de substitutionnels dans un réseau GeMn avec nanocolonnes : « Dopant ségrégation and giant magnetoresistance in manganese-doped germanium » A. P. Li et al., Phys. Rev. B 75, 201201 (2007).More precisely, the so-called "channeling" technique can be used, an example of which is given in the following publication, which measures the rate of interstitials and substitutions in a GeMn network with nanocolumns: "Dopant segregation and giant magnetoresistance in manganese-doped germanium AP Li et al., Phys. Rev. B 75, 201201 (2007).
Selon l'art antérieur, il est admis que dans le germanium, c'est la position substitutionnelle qui est plus stable que la position interstitielle (par exemple Da Silva Phys. Rev. B 70, 193205 (2004)). Par ailleurs, il est aussi admis que dans les DMS, il faut favoriser cette position de substitution du Ge par des Mn si l'on souhaite obtenir un composé ferromagnétique (par exemple dans GaMnAs : K.M. Yu et al, Phys. Rev. B 65, 201303 (2002) ; A. H. MacDonald Nat. Mat. 4 195 (2005)). Enfin, il est aussi admis que dans les DMS, la présence des interstitiels diminue et limite la température de curie du matériau (par exemple dans GaMnN : K.M. Yu et al, Phys. Rev. B 65, 201303 (2002) ; A. H. MacDonald Nat. Mat. 4 195 (2005)). Aussi, le procédé et le matériau de l'invention vont à l'encontre des connaissances de l'homme de l'art sur les DMS puisque l'on a montré qu'en maximisant la concentration de manganèse en position interstitielle, on obtient un matériau magnétique à température ambiante. Le manganèse est stabilisé dans cette position par la tension imposée par le substrat. De plus, ce procédé permet d'obtenir une grande valeur de la magnétisation comme le montre la courbe de la figure 3 : le moment de l'interstitiel est toujours supérieur à celui du substitutionnel; il augmente jusqu'à sa valeur à saturation lors de la distension de la maille. En revanche, pour avoir un couplage ferromagnétique entre ces manganèses interstitiels, il est nécessaire d'avoir une petite proportion de manganèse en position substitutionnelle. Dans la structure obtenue (figure 1- d) les manganèses interstitiels sont second voisins entre eux, tandis que les substitutionnels sont premiers voisins d'au moins 2 manganèses interstitiels, ce qui mène à un ratio de substitutionels d'environ 20% par rapport au total de Mn. Ceci implique que la tension appliquée pour la stabilisation d'une telle structure est obtenue dans le Germanium grâce à une contrainte de dilatation qui stabilise l'interstitiel par rapport au substitutionnel (figure 2). Cette contrainte est obtenue grâce à l'utilisation d'un substrat présentant un désaccord de maille comme décrit précédemment. Cependant, cette contrainte ne doit pas être trop 5 importante pour permettre aussi l'existence de quelques atomes de manganèse en position substitutionnelle telle que décrit ci-dessus. Ce dernier point explique pourquoi dans le silicium pour lequel la position interstitielle est stable hors contrainte, il faut faire la croissance sur un substrat comprimant le silicium afin de diminuer la stabilité de l'interstitiel par rapport au substitutionnel.According to the prior art, it is accepted that in germanium, it is the substitutional position which is more stable than the interstitial position (for example Da Silva Phys Rev. B 70, 193205 (2004)). Moreover, it is also accepted that in the DMS, it is necessary to favor this position of substitution of Ge by Mn if it is desired to obtain a ferromagnetic compound (for example in GaMnAs: KM Yu et al, Phys Rev B 65 201303 (2002), AH MacDonald Nat Mat 4,195 (2005)). Finally, it is also admitted that in the DMS, the presence of the interstitials decreases and limits the curie temperature of the material (for example in GaMnN: KM Yu et al, Phys Rev B 65, 201303 (2002) AH MacDonald Nat Mat 4,195 (2005)). Also, the method and the material of the invention are contrary to the knowledge of those skilled in the art on DMS since it has been shown that by maximizing the concentration of manganese in the interstitial position, one obtains a magnetic material at room temperature. The manganese is stabilized in this position by the tension imposed by the substrate. Moreover, this method makes it possible to obtain a large value of the magnetization as shown in the curve of FIG. 3: the moment of the interstitial is always greater than that of the substitutional; it increases to its saturation value during the stretching of the mesh. On the other hand, to have a ferromagnetic coupling between these interstitial manganese, it is necessary to have a small proportion of manganese in substitutional position. In the structure obtained (Figure 1- d) interstitial manganese are second neighbors to each other, while substitutions are first neighbors of at least 2 interstitial manganese, which leads to a substitution ratio of about 20% compared to total of Mn. This implies that the tension applied for the stabilization of such a structure is obtained in Germanium thanks to a dilation stress which stabilizes the interstitial with respect to the substitutional (Figure 2). This constraint is obtained through the use of a substrate having a mismatch as previously described. However, this constraint should not be too great to also allow for the existence of a few manganese atoms in the substitutional position as described above. This last point explains why in silicon for which the interstitial position is stable out of stress, it is necessary to grow on a substrate compressing silicon in order to reduce the stability of the interstitial compared to the substitutional.
T0~ "~ L'utilisation d'une contrainte de compression pour stabiliser des semiconducteurs magnétiques dilués dans le silicium a récemment été proposée par Z. Z. Zhang, et al. (« First-principles study of transition métal impurities in Si » Phys. Rev. B 77, 155201 (2008)). Cependant dans ce travail de calcul de structure électronique, l'objectif de la contrainte est de stabiliser le manganèse en position substitutionnelle et non en 15 position interstitielle comme dans la présente invention. Ces données peuvent être utilisées pour choisir le désaccord de maille optimal entre le substrat et le silicium lorsque ce dernier est employé comme élément du groupe IVA : < 4% pour V, < -4% pour Cr, <-2% pour Mn, <-3% pour Fe, <-3% pour Co et <-3% pour Ni.T0 ~ "~ The use of a compressive stress for stabilizing dilute magnetic semiconductors in silicon has recently been proposed by ZZ Zhang, et al. (" First-principles study of transition metal impurities in Si "Phys. B 77, 155201 (2008)) However, in this electronic structure calculation work, the objective of the constraint is to stabilize the manganese in the substitutional position and not in the interstitial position as in the present invention. to choose the optimal mesh mismatch between the substrate and silicon when it is used as element of group IVA: <4% for V, <-4% for Cr, <-2% for Mn, <-3% for Fe <-3% for Co and <-3% for Ni.
Les paramètres clés dans le procédé de l'invention sont :The key parameters in the process of the invention are:
20 - le choix du substrat (la dilatation ou la contraction du substrat par rapport à l'élément du groupe IVA dans le cas de la première variante, ou au contraire le choix d'un substrat de paramètre de maille sensiblement identique par rapport à l'élément du groupe IVA dans le cas de la seconde variante)The choice of the substrate (the expansion or contraction of the substrate with respect to the element of group IVA in the case of the first variant, or on the contrary the choice of a mesh parameter substrate that is substantially identical with respect to the group IVA element in the case of the second variant)
- le flux de l'élément du groupe IVA, avantageusement de germanium, et 25 le flux de l'élément de transition, avantageusement le manganèse, pendant le dépôtthe flow of the group IVA element, advantageously germanium, and the flow of the transition element, advantageously manganese, during the deposition
(concentration),(concentration),
- l'épaisseur de la couche de dépôt (ainsi que de la couche tampon de Ge éventuelle), qui est choisie de façon à éviter la relaxation du dépôt,the thickness of the deposition layer (as well as the possible Ge buffer layer), which is chosen so as to avoid the relaxation of the deposit,
- la température du substrat pendant le dépôt.the temperature of the substrate during the deposition.
30 L'épaisseur de dépôt maximale pour éviter une relaxation du dépôt de matériau magnétique dépend de la composition de ce matériau (choix des atomes et de leurs proportions), de sa concentration et de la dilatation du support. Elle peut être déterminée à l'aide de méthodes bien connues de l'homme du métier, comme la méthode de Matthews-Blakesîee dont une description est donnée par exemple dans F. Tinjod thèse de doctorat UJF Grenoble 2003.The maximum deposition thickness to avoid a relaxation of the deposition of magnetic material depends on the composition of this material (choice of atoms and their proportions), its concentration and the expansion of the support. It can be determined using methods well known to those skilled in the art, such as the method de Matthews-Blakesîee, a description of which is given for example in F. Tinjod doctoral thesis UJF Grenoble 2003.
Avantageusement, la fraction atomique du ou des élément(s) magnétique(s) dans le matériau est comprise de préférence entre 15 % et 60 % par rapport à l'ensemble du matériau, avantageusement elle est comprise entre 20 et 45 % et résulte de la concentration relative des éléments magnétiques et des éléments du groupe IVA au cours du dépôt : le dépôt des éléments est fait en utilisant un rapport moyen [vitesse de dépôt du ou des élément(s) magnétique(s) / vitesses de dépôt de l'ensemble des éléments] qui est compris entre 15 % et 60 %, avantageusement entre 20 et 45 %. De préférence, le ou l'un au moins des élément(s) magnétique(s) est le manganèse, le chrome ou le vanadium et avantageusement le manganèse.Advantageously, the atomic fraction of the element (s) magnetic (s) in the material is preferably between 15% and 60% relative to the entire material, preferably between 20 and 45% and results from the relative concentration of the magnetic elements and the elements of group IVA during the deposition: the deposition of the elements is done by using an average ratio [rate of deposition of the magnetic element (s) / speeds of deposition of the set of elements] which is between 15% and 60%, advantageously between 20 and 45%. Preferably, the at least one of the magnetic element (s) is manganese, chromium or vanadium and advantageously manganese.
Egalement à titre préférentiel, le(s) autre(s) élément(s) du groupe IVA déposés simultanément sont le germanium, le silicium ou l'un de leurs alliages.Also preferentially, the other element (s) of Group IVA deposited simultaneously are germanium, silicon or one of their alloys.
Encore plus préférentiellement, l'élément de transition et l'élément du groupe IVA déposés simultanément sont respectivement le manganèse et le germanium et/ou le silicium, pour l'obtention d'un matériau magnétique GeMn ou SiMn voire SiGeMn, ou bien, en variante, de type GeMnX, SiMnX voire SiGeMnX où X est un métal ou un alliage d'un métal pouvant être choisi par exemple parmi le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium ou le chrome, de préférence parmi le chrome et le vanadium. Dans le cas où l'on choisit Ge comme élément semi-conducteur et Mn comme élément de transition, on obtient avec le jeu de paramètres adéquats une couche homogène de GeMn magnétique au-delà de la température ambiante avec une concentration de manganèse qui peut aller de 15 à 60%, avantageusement de 20 à 45 %. L'épaisseur de GeMn est avantageusement comprise entre 0,1 nm et 1 μm, de préférence entre 0,3 nm et 1 μm.Even more preferentially, the transition element and the element of group IVA deposited simultaneously are respectively manganese and germanium and / or silicon, for obtaining a magnetic material GeMn or SiMn or SiGeMn, or, in variant, of GeMnX, SiMnX or SiGeMnX type where X is a metal or an alloy of a metal that can be chosen for example from iron, cobalt, nickel, vanadium or chromium, preferably from chromium and vanadium . In the case where Ge is chosen as the semiconductor element and Mn as the transition element, a homogeneous layer of magnetic GeMn is obtained with the appropriate set of parameters above the ambient temperature with a manganese concentration that can go from 15 to 60%, advantageously from 20 to 45%. The thickness of GeMn is advantageously between 0.1 nm and 1 μm, preferably between 0.3 nm and 1 μm.
Avantageusement, le procédé selon l'invention comprend en outre un dépôt sur le substrat d'une couche « tampon » de germanium, antérieurement au dépôt simultané de germanium et de manganèse pour l'obtention de la couche mince, de sorte à obtenir une surface la plus lisse possible à l'échelle atomique pour une croissance bidimensionnelle du film de germanium-manganèse. Dans le cas où l'élément du groupe IVA est Si ou un alliage de Ge et de Si, la couche tampon est respectivement constituée de Si ou du même alliage Ge/Si. Et l'épaisseur de la couche tampon, lorsqu'une telle couche est présente, est calculée de façon à éviter une relaxation du semi-conducteur. L'homme du métier peut se fonder sur la méthode de Matthews-Blakeslee dont une description est donnée par exemple dans F. Tinjod thèse de doctorat UJF Grenoble 2003, pour calculer cette épaisseur maximale.Advantageously, the method according to the invention further comprises a deposit on the substrate of a "buffer" layer of germanium, prior to the simultaneous deposition of germanium and manganese to obtain the thin layer, so as to obtain a surface as smooth as possible at the atomic scale for two-dimensional growth of the germanium-manganese film. In the case where the element of group IVA is Si or an alloy of Ge and Si, the buffer layer is respectively made of Si or the same Ge / Si alloy. And the thickness of the buffer layer, when such a layer is present, is calculated so as to avoid relaxation of the semiconductor. The person skilled in the art can rely on the method of Matthews-Blakeslee, a description of which is given, for example, in F. Tinjod PhD Thesis UJF Grenoble 2003, to calculate this maximum thickness.
De façon plus détaillée, dans le cas où l'élément de transition est le manganèse et le semi-conducteur est le germanium, la synthèse du matériau magnétique s'effectue comme dans le cas du procédé de WO2007/090946 par Epitaxie par JetsIn more detail, in the case where the transition element is manganese and the semiconductor is germanium, the synthesis of the magnetic material is carried out as in the case of the method of WO2007 / 090946 by Jets Epitaxy
Moléculaires (EJM) à basse température. Dans ce mode de réalisation sous ultra-vide, legermanium et le manganèse sont évaporés à partir de sources solides sur un substrat.Molecular (MBE) at low temperature. In this embodiment under ultra-vacuum, legermanium and manganese are evaporated from solid sources on a substrate.
La principale différence avec le procédé de l'art antérieur provient du choix du substrat sur lequel est effectuée la croissance par EJM. Dans le procédé de l'invention, le désaccord de maille cristalline entre le germanium et le substrat est primordial. Le substrat est ainsi choisi de façon à avoir un paramètre de maille supérieur de plusieurs pourcents à celui du germanium. On peut choisir un substrat ou support présentant un désaccord de paramètre de maille par rapport au Germanium compris entre 1 et 7%, avantageusement entre 2 et 4%. Par exemple, le composé (Ga1-XInx)As peut être utilisé comme substrat, la concentration d'indium fixant le désaccord des paramètres de maille : environ -0,1% pour x=0 à environ +7% pour x=l.The main difference with the method of the prior art comes from the choice of the substrate on which the growth by EJM is carried out. In the process of the invention, the crystal lattice mismatch between germanium and the substrate is essential. The substrate is thus chosen so as to have a mesh parameter several percent higher than that of germanium. It is possible to choose a substrate or support having a mesh parameter mismatch with respect to Germanium of between 1 and 7%, advantageously between 2 and 4%. For example, the compound (Ga 1 -X In x ) As can be used as a substrate, the indium concentration fixing the mismatch of the mesh parameters: about -0.1% for x = 0 to about + 7% for x = l.
Pour un substrat (Gai-xInx)As, le désaccord (D) est donné de façon estimée par la formule :To a substrate (Gay -x In x) As, the disagreement (D) is given so as estimated by the formula:
D= 40 x / 5,66.D = 40 x / 5.66.
La procédure de croissance est conduite suivant une méthode standard bien connue de l'homme de l'art : a) désoxydation du substrat ou désorption de la couche de protection pour obtenir une surface suffisamment « propre » pour permettre de procéder à une epitaxie 2D suivant les règles de l'homme de l'art (nettoyage chimique, traitement par plasma). b) application d'un procédé permettant si nécessaire le lissage de la surface à épitaxier et/ou de faire une barrière de diffusion. On peut par exemple procéder au dépôt d'une couche tampon de germanium en epitaxie avec le substrat, d'une épaisseur suffisamment faible pour éviter sa relaxation, par exemple d'une épaisseur comprise entreThe growth procedure is carried out according to a standard method well known to those skilled in the art: a) deoxidation of the substrate or desorption of the protective layer to obtain a sufficiently "clean" surface to allow to carry out a 2D epitaxy next the rules of those skilled in the art (chemical cleaning, plasma treatment). b) application of a method which makes it possible, if necessary, to smooth the surface to be epitaxially treated and / or to make a diffusion barrier. It is possible, for example, to deposit a germanium buffer layer epitaxially with the substrate, of a sufficiently small thickness to avoid its relaxation, for example of a thickness between
0,1 nm et 100 nm Cette épaisseur critique dépend du désaccord de maille suivant les règles bien connues de l'homme de l'art. c) dépôt d'une couche de GeMn sur la couche tampon de Ge mise en0.1 nm and 100 nm This critical thickness depends on the mismatch according to the rules well known to those skilled in the art. c) deposition of a layer of GeMn on the Ge buffer layer implemented
5 tension par le substrat ou directement sur le substrat en l'absence de la couche tampon. L'épaisseur de la couche est elle aussi contrôlée de façon à rester en dessous de l'épaisseur critique de relaxation, et en particulier elle est comprise entre 0,1 nm et 1 μm. Cette épaisseur dépend également du désaccord de maille initial. Le dépôt de GeMnVoltage by the substrate or directly onto the substrate in the absence of the buffer layer. The thickness of the layer is also controlled so as to remain below the critical relaxation thickness, and in particular it is between 0.1 nm and 1 μm. This thickness also depends on the initial mesh clash. The deposit of GeMn
"TO ~ëst réalisé à faible température (< 2000C) avec des pressions partielles de germanium et de manganèse dans le flux au niveau du substrat comprises entre, respectivement, 0,8. 10" et 8.10" Torr et entre 0,1.10'9 et 100.10"9 Torr. Ainsi, la vitesse de dépôt est de l'ordre de 0,01 à 0,1 nm/s. La concentration relative du manganèse est "TO ~ is carried out at low temperature (<200 0 C) with partial pressures of germanium and manganese in the flow at the substrate between, respectively, 0.8. 10" and 8.10 "Torr and between 0.1.10 '9 and 100.10 "9 Torr. Thus, the deposition rate is of the order of 0.01 to 0.1 nm / s. The relative concentration of manganese is
15 comprise entre environ 15 et 60%, avantageusement entre 20 et 45 %, en fonction du ratio respectif des deux pressions partielles utilisées. Dans ces conditions de croissance, le dépôt est obtenu sous la forme d'une couche mince dans laquelle le manganèse est réparti de façon sensiblement homogène. Le manganèse occupe notamment des positions interstitielles de la maille 20 diamant du germanium. Cette stabilisation est favorisée par la tension appliquée par le substrat au cours de la croissance de la couche. Ce matériau possède une température de Curie supérieure à 350 K. Ni sa composition, ni sa structure ne ressemblent aux composés connus du diagramme de phase GeMn.Between about 15 and 60%, advantageously between 20 and 45%, depending on the respective ratio of the two partial pressures used. Under these growth conditions, the deposit is obtained in the form of a thin layer in which the manganese is distributed substantially homogeneously. In particular, manganese occupies interstitial positions of the germanium diamond mesh. This stabilization is favored by the voltage applied by the substrate during the growth of the layer. This material has a Curie temperature greater than 350 K. Neither its composition nor its structure resemble the known compounds of the GeMn phase diagram.
Ces modulations des paramètres du procédé ont bien évidement pourThese modulations of the process parameters have of course
25 effet de modifier à la fois l'épaisseur de la couche de GeMn envisageable sans relaxation, l'aimantation au repos du matériau et sa température de Curie, tout en aboutissant à la réalisation de couches de GeMn magnétiques au-delà de la température ambiante. A titre d'exemple, est présentée sur la figure 5 l'évolution de la température de Curie et l'aimantation au repos (rapportée à la concentration de manganèse) en fonction de la 30 concentration relative de substitutionnel par rapport aux nombre total d'atomes de manganèse dans le germanium. Les paramètres de croissance peuvent donc être ajustés en fonction des applications pour trouver le compromis entre une forte température de Curie et une forte aimantation au repos. Le point de fonctionnement est déterminé en suivant la concentration totale de manganèse ainsi que le ratio de Mn substitutionnels/interstitiels qui peut être par exemple mesuré par RBS.The effect of modifying both the thickness of the GeMn layer that can be envisaged without relaxation, the magnetization at rest of the material and its Curie temperature, while at the same time leading to the production of magnetic GeMn layers beyond the ambient temperature . By way of example, the evolution of the Curie temperature and the idle magnetization (relative to the manganese concentration) as a function of the relative concentration of the substituent relative to the total number of manganese atoms in germanium. The growth parameters can therefore be adjusted according to the applications to find the compromise between a high Curie temperature and a strong magnetization at rest. The operating point is determined by following the total concentration of manganese as well as the ratio of Mn substitutions / interstitials which can be for example measured by RBS.
L'invention se fonde sur la stabilisation du manganèse en position interstitielle de la maille diamant du germanium. Le taux de dilatation pour stabiliser cette position interstitielle par rapport à la position substitutionnelle est défini à partir de résultats de calculs basés sur la structure électronique des solides et présentés sur la figure 2. On note une inversion de stabilité à partir d'environ 1% de dilatation. De préférence, on applique une marge de 1 -2 % pour assurer cette stabilisation dans les échantillons élaborés. De plus, le taux peut être judicieusement ajusté afin d'obtenir un compromis entre la stabilité de ces interstitiels et l'épaisseur critique de relaxation des couches tampon de Ge et de GeMn.The invention is based on the stabilization of manganese interstitial position of the diamond mesh of germanium. The rate of expansion to stabilize this interstitial position with respect to the substitutional position is defined from results of calculations based on the electronic structure of the solids and presented in FIG. 2. A stability inversion of about 1% is noted. of dilatation. Preferably, a margin of 1-2% is applied to ensure this stabilization in the samples prepared. In addition, the rate can be judiciously adjusted to obtain a compromise between the stability of these interstitials and the critical relaxation thickness of the Ge and GeMn buffer layers.
De façon plus détaillée, le matériau de l'invention est sous forme d'un film constitué d'un alliage homogène cristallin d'un élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique, avantageusement le germanium et d'un élément de transition, avantageusement le manganèse. Il est doté d'une température de Curie (Tc) supérieure ou égale à 350 K. Ces valeurs très élevées de températures de Curie, qui peuvent être mesurées via un magnétomètre de type à « SQUID » (i.e. « Superconducting Quantum Interférence Device », ou détecteur d'énergie quantique à supraconducteurs), n'ont jamais été atteintes à ce jour pour des films de compositions homogènes de semi-conducteurs du groupe IVA mélangés avec des éléments magnétiques.In more detail, the material of the invention is in the form of a film consisting of a crystalline homogeneous alloy of an element chosen from group IVA of the periodic table, advantageously germanium and a transition element, advantageously manganese. It has a Curie temperature (Tc) greater than or equal to 350 K. These very high values of Curie temperatures, which can be measured via a "SQUID" type magnetometer (ie "Superconducting Quantum Interference Device", or quantum energy detector with superconductors), have never been achieved to date for films of homogeneous Group IVA semiconductor compositions mixed with magnetic elements.
Le matériau magnétique de l'invention présente également un effet Hall extraordinaire (« EHE » en abrégé) à une température supérieure à 300 K et pouvant atteindre au moins 350 K.The magnetic material of the invention also has an extraordinary Hall effect ("EHE" abbreviated) at a temperature above 300 K and can reach at least 350 K.
Ces valeurs très élevées de températures où se manifeste cet effet « EHE », températures mesurées via un banc de magnéto-transport équipé d'un cryostat et d'une bobine supraconductrice, n'ont jamais été atteintes à ce jour pour des films de compositions homogènes de semi-conducteurs du groupe IVA mélangés avec des éléments magnétiques.These very high temperature values where this "EHE" effect is manifested, temperatures measured via a magneto-transport bench equipped with a cryostat and a superconducting coil, have never been reached to date for composition films. homogeneous group IVA semiconductors mixed with magnetic elements.
Par rapport aux matériaux décrits dans WO2007/090946, le matériau de l'invention se distingue par son caractère homogène. Cette caractéristique peut être observée de plusieurs façons : si l'on prélève deux échantillons au hasard dans le matériau et que l'on évalue la concentration de l'élément de transition, elle est comprise dans un intervalle de valeurs de +5% autour d'une valeur moyenne. Et une étude du matériau par diffraction aux rayons X montre que la structure atomique du matériau est sensiblement homogène. Enfin, les propriétés physiques du matériau (magnétisation, conductivité, paramètre de maille) sont sensiblement identiques en tout point de la surface du film de matériau : cette homogénéité permet l'injection de spins en tout point de la surface du matériau, ce qui n'est pas possible avec le matériau décrit dans WO2007/090946.Compared to the materials described in WO2007 / 090946, the material of the invention is distinguished by its homogeneous nature. This characteristic can be observed in several ways: if two random samples are taken from the material and the concentration of the transition element is evaluated, it is within a range of values of + 5% around an average value. And a study of the material by X-ray diffraction shows that the atomic structure of the material is substantially homogeneous. Finally, the physical properties of the material (magnetization, conductivity, mesh parameter) are substantially identical at any point on the surface of the film of material: this homogeneity allows the injection of spins at any point on the surface of the material, which is not possible with the material described in WO2007 / 090946.
L'homogénéité du matériau a en effet pour avantage que la surface d'injection des spins est plus importante. Cette fonction d'injection de spins et sa surface associée sont importantes pour des applications telles que le transistor à spin FET ou le spin Qbit. De même, si le matériau est utilisé comme couche magnétique dans un dispositif de 'stockage d'information de type MRAM ou dans une vanne de spin, la possibilité de le mettre en oeuvre sous forme de film homogène est nécessaire, notamment lors d'une éventuelle étape de lithographie. L'intérêt d'un tel matériau réside alors dans sa capacité à être facilement épitaxié sur les semiconducteurs (Si, Ge, ... maille diamant) sans introduire de défauts étendus. Il a aussi l'intérêt de pouvoir être localisé via la contrainte transmise par le substrat (procédés 'collé tourné1 notamment) par exemple pour la co-intégration de fonctions magnétiques (capteurs magnétiques, mémoires magnétiques, etc..) en microélectronique classique.The homogeneity of the material has the advantage that the injection surface of the spins is larger. This spin injection function and its associated surface are important for applications such as the FET spin transistor or the Qbit spin. Similarly, if the material is used as a magnetic layer in a device 'MRAM type information storage or in a spin valve, the ability to implement homogeneous film form is required, in particular at a possible stage of lithography. The advantage of such a material lies in its ability to be easily epitaxied on semiconductors (Si, Ge, ... diamond mesh) without introducing extensive defects. It also has the advantage of being able to be located via the stress transmitted by the substrate (processes' glued shot 1 in particular) for example for the co-integration of magnetic functions (magnetic sensors, magnetic memories, etc.) in conventional microelectronics.
Le matériau de l'invention peut être utilisé pour une variété d'applications, soit comme source d'un courant de porteurs polarisés en spin dans le silicium ou le germanium, soit comme élément magnétique dans des dispositifs du type vanne de spin ou jonction tunnel magnétique, soit classiquement comme une région aimantée (facilement localisable) source d'un champ magnétique pour des applications dans l'enregistrement magnétique à haute densité. Des dispositifs utilisant les DMS et pour lesquels les matériaux de l'invention pourraient avantageusement remplacer les DMS sont décris dans : Vutic et al., Reviews of Modem Physics, Volume 76, 323, Avril 2004.The material of the invention can be used for a variety of applications, either as a source of a spin polarized carrier current in silicon or germanium, or as a magnetic element in devices of the spin valve or tunnel junction type. magnetic, or conventionally as a magnetic region (easily localizable) source of a magnetic field for applications in high density magnetic recording. Devices using DMS and for which the materials of the invention could advantageously replace DMS are described in: Vutic et al., Reviews of Modem Physics, Volume 76, 323, April 2004.
Un autre objet de l'invention est une plaque, également dénommée « wafer » comprenant un support tel que décrit ci-dessus et au moins une couche d'un matériau magnétique de l'invention. Elle comprend éventuellement une couche tampon intermédiaire telle que décrite ci-dessus. Cette plaque résulte de la mise en œuvre du procédé de l'invention et peut être utilisée dans un dispositif électromagnétique pour les applications décrites ci-dessus. Dans le cas où cette plaque résulte de l'application du procédé de l'invention sur un support présentant un désaccord de paramètre de maille avec l'élément du groupe IVA on peut distinguer deux configurations distinctes :Another object of the invention is a plate, also called "wafer" comprising a support as described above and at least one layer of a magnetic material of the invention. It optionally comprises an intermediate buffer layer as described above. This plate results from the implementation of the method of the invention and can be used in an electromagnetic device for the applications described above. In the case where this plate results from the application of the method of the invention on a support having a mesh parameter mismatch with the element of group IVA, two distinct configurations can be distinguished:
Selon une première variante de cet aspect de l'invention, ce support 5 présente une contrainte, ou désaccord de paramètre de maille par rapport à l'élément du groupe IVA, qui est constant. Il en résulte un dépôt homogène sur la totalité de la surface de ce support.According to a first variant of this aspect of the invention, this support 5 has a constraint, or disagreement of mesh parameter with respect to the element of group IVA, which is constant. This results in a homogeneous deposit on the entire surface of this support.
Selon une seconde variante, ce support présente un désaccord de paramètre de maille par rapport à l'élément du groupe IVA qui varie en fonction d'un TU~ "schéma prédéterminé. Ainsi, on fait croître le film sur un substrat présentant une ou plusieurs zones où la contrainte (désaccord de paramètre de maille par rapport au semiconducteur) est homogène et d'autres où la contrainte est répartie de façon inhomogène. Cela permet de faire croître sur un substrat des zones de film magnétique homogène suivant un schéma prédéterminé. Contrairement aux dispositifs décrits dans 15 WO2007/090946, les dimensions et la répartition des zones de film magnétique dans le dépôt sont alors contrôlées et non aléatoires.According to a second variant, this support has a mesh parameter mismatch with respect to the element of group IVA, which varies according to a TU ~ " predetermined pattern.Thus, the film is grown on a substrate having one or more areas where the stress (mesh parameter mismatch with respect to the semiconductor) is homogeneous and others where the stress is distributed inhomogeneously.This makes it possible to grow on a substrate zones of homogeneous magnetic film according to a predetermined pattern. To the devices described in WO2007 / 090946, the dimensions and the distribution of the magnetic film areas in the deposit are then controlled and not random.
Suivant cette variante, si l'on désigne par Rs le ratio surfacique des zones où est appliquée une contrainte et de la surface totale du substrat, la concentration totale de manganèse peut aller de 15%xRs à 60%xRs et de préférence entre 20%xRs àAccording to this variant, if we denote by Rs the surface ratio of the areas where a stress is applied and the total surface area of the substrate, the total concentration of manganese can range from 15% xRs to 60% xRs and preferably from 20% xRs to
20 45%xRs. Au cours de la croissance par EJM3 le manganèse se concentre préférentiellement à l'aplomb des zones contraintes suivant le schéma choisi. Les caractéristiques du dépôt dans ces zones sont les mêmes que celles décrites pour le dépôt sur un substrat uniforme.20 45% xRs. During the growth by EJM 3, the manganese is preferentially concentrated in line with the constrained zones according to the chosen scheme. The characteristics of the deposition in these zones are the same as those described for deposition on a uniform substrate.
Et notamment, la concentration totale de manganèse dans ces zones est alors de préférence comprise entre 20 et 45% avec un ratio de substitutionnel compris de préférence entre 20 etAnd in particular, the total concentration of manganese in these zones is then preferably between 20 and 45% with a ratio of substitutionally preferably between 20 and
25 35%.25 35%.
Une façon bien connue pour obtenir un tel substrat est d'utiliser des substrats « collés tournés» qui en créant un réseau de dislocation permettent de localiser les boîtes quantiques dont la croissance est elle aussi sensible à la déformation. Cette méthode est expliquée par exemple par A. Bourret. Surf. Sci. 432, p. 37, (1999).One well known way to obtain such a substrate is to use "glued turned" substrates which by creating a dislocation network make it possible to locate the quantum boxes whose growth is also sensitive to the deformation. This method is explained for example by A. Bourret. Surf. Sci. 432, p. 37, (1999).
30 D'autres méthodes de localisation de contraintes sont aussi possibles : implantations, gravures etc. On peut notamment se référer à M. Hanbûckenet al, « Les nanosciences : Nanotechnologies et nanophysique », p. 50, Edition Belin par M. Lahmani, C. Dupas et P. Houdy (2004). Cette variante peut être très intéressant pour la co-intégration de fonctions magnétiques (capteurs magnétiques, mémoires magnétiques, etc..) en microélectronique classique ou pour la production de plaques de zones à Tc différentes en fonction d'un schéma prédéterminé.Other methods of locating constraints are also possible: implantations, engravings, etc. In particular, one can refer to M. Hanbuckenet al, "Nanosciences: Nanotechnologies and Nanophysics", p. 50, Belin Edition by M. Lahmani, C. Dupas and P. Houdy (2004). This variant can be very interesting for the co-integration of magnetic functions (magnetic sensors, magnetic memories, etc.) in conventional microelectronics or for the production of different Tc zone plates according to a predetermined pattern.
5 Un composant électronique selon l'invention peut être avantageusement de type diode pour l'injection ou la collecte de spins dans ou depuis un autre semiconducteur, respectivement, ou bien de type élément sensible à un champ magnétique, et ce composant comporte avantageusement un matériau magnétique selon l'invention tel que défini ci-dessus.An electronic component according to the invention may advantageously be of the diode type for the injection or the collection of spins in or from another semiconductor, respectively, or of a magnetic field-sensitive element type, and this component advantageously comprises a material magnetic device according to the invention as defined above.
"1ÏÏ~ Selon un premier mode de réalisation de l'invention, il "s'agit d'un composant de type diode pour l'injection ou la collecte de spins dans ou depuis un autre semi-conducteur par exemple du groupe IVA, tel qu'illustré sur la figure 4, et comportant : "1ii ~ According to a first embodiment of the invention, it" is a diode-type component for injecting or collecting spins in or from another semiconductor e.g. Group IVA, such illustrated in Figure 4, and comprising:
- une première couche mince (1) formée d'une plaque comportant un matériau magnétique selon l'invention déposé sur un substrat,a first thin layer (1) formed of a plate comprising a magnetic material according to the invention deposited on a substrate,
15 - une seconde couche mince (2) formée d'un semi-conducteur à base d'éléments des Groupes IV, III-V ou II-VI ou d'un de leurs alliages, au contact de laquelle est appliquée ladite première couche mince. Si la première couche est dopée p, la réalisation d'une diode Esaki par ajout d'une couche fortement dopée n entre la première et la seconde couche permet de transformer les trous polarisés en électrons polarisés (dont laA second thin layer (2) formed of a semiconductor based on Group IV, III-V or II-VI elements or one of their alloys, in contact with which said first thin layer is applied; . If the first layer is p-doped, the production of an Esaki diode by adding a strongly doped layer n between the first and the second layer makes it possible to transform the polarized holes into polarized electrons (whose
20 longueur de dépolarisation est supérieure)Depolarization length is greater)
- une source de courant de porteurs (3) couplée à la première couche pour, dans un premier cas, en extraire sélectivement un courant polarisé en spin et pour l'injecter dans la seconde couche ou bien, dans un second cas, pour extraire sélectivement un courant de porteurs polarisés en spin depuis la seconde couche et l'injecter dans laa carrier current source (3) coupled to the first layer for, in a first case, selectively extracting a spin polarized current and for injecting it into the second layer or, in a second case, for selectively extracting a stream of spin-polarized carriers from the second layer and inject it into the
25 première couche, pour que la phase magnétique selon l'invention du premier semiconducteur émette ou reçoive ce courant polarisé en spin vers ou depuis le second semiconducteur, respectivement selon le premier ou second cas. Le fait que le matériau ne soit pas semi-conducteur mais simplement mauvais conducteur est suffisant pour éviter la dépolarisation. (A. Fert and H. Jaffres, Physical Review B 64, 184420).First layer, so that the magnetic phase according to the invention of the first semiconductor emits or receives this spin-polarized current to or from the second semiconductor, respectively according to the first or second case. The fact that the material is not semiconductor but just bad conductor is enough to avoid depolarization. (A. Fert and H. Jaffres, Physical Review B 64, 184420).
30 Selon un second mode de réalisation de l'invention, le composant est sensible à un champ magnétique et il peut s'agir d'un capteur de champ magnétique, qui comporte une couche mince formée d'un matériau magnétique selon l'invention tel que défini ci-dessus, pour la détection ou la mesure dudit champ par mesure d'un effet de magnétorésistance vis-à-vis d'un champ magnétique appliqué perpendiculairement à la couche mince ou dans le plan de celle-ci.According to a second embodiment of the invention, the component is sensitive to a magnetic field and it may be a magnetic field sensor, which comprises a thin layer formed of a magnetic material according to the invention such that defined above, for the detection or measurement of the said field by measuring a magnetoresistance to a magnetic field applied perpendicular to the thin layer or in the plane thereof.
On note que ce composant permet de s'affranchir du phénomène deIt is noted that this component makes it possible to overcome the phenomenon of
« super-paramagnétisme » qui caractérise les systèmes dilués à base de nanoparticules, et"Super-paramagnetism" which characterizes diluted systems based on nanoparticles, and
5 que la magnétorésistance mesurée selon l'invention reste élevée même à température ambiante contrairement à ces systèmes dilués, ce qui confère à ce composant selon l'invention d'excellentes capacités pour mesurer les champs magnétiques5 that the magnetoresistance measured according to the invention remains high even at ambient temperature unlike these diluted systems, which gives this component according to the invention excellent capacity for measuring magnetic fields
Une première utilisation selon l'invention d'un matériau magnétique tel que défini ci-dessus consiste à injecter ou collecter par contact un courant de porteurs j-Q— polarisés en spiris dans ou depuis un autre semi-conducteur à base de Si, Ge5... (groupes " IV, III-V, II- VI) ou d'un alliage de ces derniers, à une température égale ou supérieure à 350 K et pouvant être égale ou supérieure à 400 K.A first use according to the invention of a magnetic material as defined above consists in injecting or collecting by contact a stream of spiral-polarized carriers in or from another semiconductor based on Si, Ge 5 . .. (groups " IV, III-V, II-VI) or an alloy thereof, at a temperature equal to or greater than 350 K and which may be equal to or greater than 400 K.
Une seconde utilisation selon l'invention d'un matériau magnétique tel que défini ci-dessus consiste à mesurer un champ magnétique par mesure d'un effet de 15 magnétorésistance dans ledit semi-conducteur, à une température égale ou supérieure à 350 K et pouvant être égale ou supérieure à 400 K.A second use according to the invention of a magnetic material as defined above consists in measuring a magnetic field by measuring a magnetoresistance effect in said semiconductor, at a temperature equal to or greater than 350 K and able to be equal to or greater than 400 K.
On note que le matériau magnétique selon l'invention peut également être utilisé comme élément magnétique dans des dispositifs de type vanne de spin, ou bien comme une région aimantée source d'un champ magnétique pour des applications dans 0 l' enregistrement magnétique à haute densité .Note that the magnetic material according to the invention can also be used as a magnetic element in spin valve type devices, or as a magnetized region source of a magnetic field for applications in high density magnetic recording. .
Le matériau magnétique de l'invention peut également être utilisé pour la fabrication d'une mémoire magnétique de type MRAM à plat (l'empilement des couches magnétiques, n'est pas vertical comme dans un MRAM classique mais elles sont déposées l'une à côté de l'autre sur un canal de conduction à base de silicium par exemple), 5 notamment dans le cas où il présente des zones de Tc différentes.The magnetic material of the invention can also be used for the manufacture of a flat MRAM type magnetic memory (the stacking of the magnetic layers, is not vertical as in a conventional MRAM but they are deposited one to next to each other on a silicon-based conduction channel, for example), especially in the case where it has different Tc areas.
Figure 1 : élément magnétique Mn dans le réseau cristallin du germanium (a), en position substitutionnelle (b) et interstitielle (c) et arrangement de la phase suivant la structure du matériau de l'invention (d)1: magnetic element Mn in the crystal lattice of germanium (a), in substitutional (b) and interstitial position (c) and arrangement of the phase according to the structure of the material of the invention (d)
Figure 2 : Évolution de l'énergie de formation des deux défauts ponctuelsFigure 2: Evolution of the formation energy of the two point defects
30 élémentaires du manganèse dans le germanium (site substitutionnel, site interstitiel tétraèdrique) en fonction de la dilatation par rapport au paramètre de maille d'équilibre du germanium. Figure 3 : Évolution du moment magnétique porté par le manganèse en fonction de la dilatation par rapport au paramètre de maille d'équilibre du germanium.Elemental manganese in germanium (substitutional site, tetrahedral interstitial site) as a function of expansion with respect to the equilibrium mesh parameter of germanium. Figure 3: Evolution of the magnetic moment carried by the manganese as a function of the dilation with respect to the equilibrium mesh parameter of the germanium.
Figure 4 : Représentation schématique d'un composant de type diode pour l'injection de spins dans un autre semi-conducteur.Figure 4: Schematic representation of a diode-like component for injecting spins into another semiconductor.
Figure 5 : Evolution de la température de Curie évaluée à partir de l'intégrale d'échange en fonction de la concentration relative de Mn substitutionnel dans GeMn pour une concentration de manganèse interstitiel fixée à 1/3 du nombre total d'atomes. Figure 5: Evolution of the Curie temperature evaluated from the exchange integral as a function of the relative concentration of Mn substitution in GeMn for an interstitial manganese concentration fixed at 1/3 of the total number of atoms.

Claims

REVENDICATIONS
1. Matériau magnétique caractérisé en ce qu'il est sous forme d'un film constitué d'un alliage homogène cristallin d'un élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique et d'un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome, la fraction atomique du ou des élément(s) magnétique(s) étant comprise entre 20 et 45 % par rapport à l'ensemble du matériau.1. Magnetic material characterized in that it is in the form of a film consisting of a crystalline homogeneous alloy of a member selected from group IVA of the periodic table and a transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium, the atomic fraction of the magnetic element (s) being between 20 and 45% relative to the entire material.
2. Matériau selon la revendication 1, dans lequel l'élément de transition est Ie manganèse et l'élément choisi dans le groupe IVA est le germanium.Material according to claim 1, wherein the transition element is manganese and the element selected from group IVA is germanium.
" 10 3. Matériau selon la revendication ^, dans lequel l'épaisseur de GeMn est comprise entre 0,1 nm et 1 μm. "10 3. Material according to claim ^, wherein the thickness of GeMn is between 0.1 nm and 1 micron.
4. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, qui est déposé sur un substrat choisi parmi les composés de formule : In1-xGaxAs, GaAs1-xSbx, In1-xGaxP, Si1-X Gex 15 et x représente un nombre tel que4. Material according to any one of claims 1 to 3 which is deposited on a substrate selected from compounds of the formula: In 1-x Ga x As, GaAs 1-x Sb x, In 1-x Ga x P, If 1-X Ge x 15 and x represents a number such that
O ≤ x ≤ l ou Si1-x-yGexCy et x et y représentent des nombres tels que 0 < x, 0 < y, 0 < x +y < l.O ≤ x ≤ 1 or Si 1-xy Ge x C y and x and y represent numbers such that 0 <x, 0 <y, 0 <x + y <1.
20 5. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui présente une température de Curie (Tc) supérieure ou égale à 350 K.Material according to any one of claims 1 to 4, which has a Curie temperature (Tc) greater than or equal to 350 K.
6. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui présente un effet Hall extraordinaire à une température supérieure à 300 K.6. Material according to any one of claims 1 to 5, which has an extraordinary Hall effect at a temperature greater than 300 K.
7. Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel 25 entre 15 et 45% de l'élément de transition est en position substitutionnelle par rapport à la quantité totale d'élément de transition.The material of any one of claims 1 to 6, wherein between 15 and 45% of the transition element is in substitutional position with respect to the total amount of transition element.
8. Composant électronique comportant au moins une couche d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.An electronic component comprising at least one layer of a material according to any one of claims 1 to 7.
9. Composant selon la revendication 8 de type diode pour l'injection ou 30 la collecte de spins dans ou depuis un autre semi-conducteur.The component of claim 8 of the diode type for injecting or collecting spins in or from another semiconductor.
10. Composant selon la revendication 8 de type capteur de champ magnétique. 10. Component according to claim 8 of the magnetic field sensor type.
11. Procédé de fabrication d'un matériau magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant au moins une étape d'épitaxie par jets moléculaires comprenant un dépôt simultané d'au moins un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome et d'au moins un autre élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique, sur un substrat dont le désaccord de maille avec le ou les élément(s) choisi(s) dans le groupe IVA de la classification périodique est compris entre O5I et 10 %, en valeur absolue, et dont la température pendant la croissance des cristaux est comprise entre 80° C et 200° C. 11. A method of manufacturing a magnetic material according to any one of claims 1 to 7, comprising at least one step of molecular beam epitaxy comprising a simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from group IVA of the Periodic Table, on a substrate whose mesh mismatch with the element (s) ) selected from group IVA of the Periodic Table is between 0 5 and 10%, in absolute value, and whose temperature during crystal growth is between 80 ° C and 200 ° C.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'élément du groupeThe method of claim 11, wherein the group member
IVA de la classification périodique est choisi parmi Ge, Si et leurs alliages de formule Si1- xGex avec 0< x< 0,16 et 0,25< x< 1.IVA of the Periodic Table is selected from Ge, Si and their alloys of formula Si 1 x Ge x with 0 <x <0.16 and 0.25 <x <1.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, dans lequel l'élément du groupe IVA est Ge et l'élément de transition est Mn le désaccord de paramètre de maille de Ge avec le support étant compris entre 2 et 4 %A method according to any one of claims 11 and 12, wherein the group IVA element is Ge and the transition element is Mn the Ge mesh parameter mismatch with the support being between 2 and 4%
14. Procédé selon la revendication 13 qui comprend les étapes : a) désoxydation du substrat ou désorption de la couche de protection ; b) dépôt d'une couche tampon de Ge, d'une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 100 nm ; c) dépôt d'une couche de GeMn, l'épaisseur de la couche étant comprise entre 0,1 nm et 1 μm , le dépôt de GeMn étant réalisé à une température < 200°C avec des pressions partielles de germanium et de manganèse dans le flux au niveau du substrat comprises entre , 0,8. 10"8 et 8.10"8 Torr pour Ge et entre 0,1.10~9 et 100JO"9 Torr pour Mn, et une concentration relative du manganèse comprise entre 15 etThe method of claim 13 which comprises the steps of: a) deoxidizing the substrate or desorbing the protective layer; b) deposition of a Ge buffer layer, of a thickness between 0.1 nm and 100 nm; c) deposition of a layer of GeMn, the thickness of the layer being between 0.1 nm and 1 micron, the GeMn deposition being carried out at a temperature <200 ° C. with partial pressures of germanium and manganese in the flux at the substrate level between 0.8. 10 "8 and 8.10 " 8 Torr for Ge and between 0.1.10 ~ 9 and 100 OJ "9 Torr for Mn, and a relative concentration of manganese between 15 and
60%.60%.
15. Procédé de fabrication d'un matériau magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant au moins une étape d'épitaxie par jets moléculaires comprenant un dépôt simultané d'au moins un élément de transition choisi dans le groupe constitué par le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, le vanadium et le chrome et d'au moins un autre élément choisi dans le groupe IVA de la classification périodique qui est un alliage Sii-xGex avec 0,16 < x < 0,25 sur un substrat dont le désaccord de maille avec le ou les élément(s) choisi(s) dans le groupe IVA de la classification périodique est inférieur à 1 % en valeur absolue, de préférence inférieure à 0,5%, et dont la température pendant la croissance des cristaux est comprise entre 80° C et 200° C, préférentiellement entre 100° C et 150° C.15. A method of manufacturing a magnetic material according to any one of claims 1 to 7, comprising at least one step of molecular beam epitaxy comprising a simultaneous deposition of at least one transition element selected from the group consisting of manganese, iron, cobalt, nickel, vanadium and chromium and at least one other element selected from the group IVA of the periodic table which is a Si alloy -x Ge x with 0.16 <x < 0.25 on a substrate whose mesh cleavage with the element (s) chosen in group IVA of the classification Periodic is less than 1% in absolute value, preferably less than 0.5%, and whose temperature during the growth of the crystals is between 80 ° C and 200 ° C, preferably between 100 ° C and 150 ° C.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, dans 5 lequel le substrat est constitué d'un alliage semi-conducteur binaire ou ternaire ou éventuellement quaternaire de structure diamant ou Zinc-blende.16. A method according to any one of claims 11 to 15, wherein the substrate is made of a binary or ternary or optionally quaternary semiconductor alloy of diamond or zinc-blende structure.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel les atomes entrant dans la constitution du substrat sont choisis parmi les éléments suivants :17. The method of claim 16, wherein the atoms involved in the constitution of the substrate are chosen from the following elements:
Al, In, Ga, As, Sb, N, P, C, Si, Ge. (T " " " 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, dans lequel le dépôt des éléments est fait en utilisant un rapport moyen [vitesse de dépôt du ou des élément(s) magnétique(s) / vitesses de dépôt de l'ensemble des éléments] qui est compris entre 20 et 45 %.Al, In, Ga, As, Sb, N, P, C, Si, Ge. (T """18. A method according to any one of claims 11 to 17, wherein the deposition of the elements is done by using an average ratio [deposition rate of the one or member (s) Magnetic (s) / gear deposit of all elements] which is between 20 and 45%.
19. Plaque susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une5 quelconque des revendications 11 à 18, comprenant un substrat et au moins une couche d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.19. A plate obtainable by the process of any one of claims 11 to 18, comprising a substrate and at least one layer of a material according to any one of claims 1 to 7.
20. Plaque selon la revendication 19 dans laquelle le substrat présente un désaccord de paramètre de maille par rapport à l'élément du groupe IVA, et ce désaccord est constant sur toute sa surface. 0The plate of claim 19 wherein the substrate has a mesh parameter mismatch with respect to the group IVA element, and this mismatch is constant over its entire surface. 0
21. Plaque selon la revendication 19 dans laquelle le substrat présente un désaccord de paramètre de maille par rapport à l'élément du groupe IVA qui varie suivant un schéma prédéterminé.The plate of claim 19 wherein the substrate has a mesh parameter mismatch with respect to the group IVA element which varies according to a predetermined pattern.
22. Utilisation d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comme région aimantée source d'un champ magnétique pour des applications dans5 l'enregistrement magnétique à haute densité.22. Use of a material according to any one of claims 1 to 7 as a magnetic field source region of a magnetic field for applications in high density magnetic recording.
23. Utilisation d'un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour la fabrication d'une mémoire magnétique à plat. 23. Use of a material according to any one of claims 1 to 7 for the manufacture of a flat magnetic memory.
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