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Illustration 1: In DMS werden einzelne Halbleiter-Atome durch magnetische Ionen ersetzt.
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Andreas Grois - Spintronics: Elektronentennis mit Drall
Optical Studies of Manganese Doped Gallium Nitride
oder
Spintronics: Elektronentennis mit Drall
Andreas Grois
angefertigt an der Abteilung für Halbleiterphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik
Die derzeit die Mikroelektronik dominierende Siliziumtechnologie wird demnächst an ihre Grenzen stoßen: Dies wird bei integrierten Schaltkreisen dazu führen, dass die Zahl der Transistoren pro Fläche nicht mehr alle zwei Jahre verdoppelt werden kann, so wie vom Moor'schen Gesetz vorhergesagt und bisher auch realisiert. Um trotzdem die Rechenleistung bei gleicher Gerätefläche erhöhen zu können, müssen völlig neue Wege beschritten werden. Einer davon ist es, die Grenzen der Elektronik (also der Technologie der rein elektrischen Eigenschaften) hinter sich zu lassen.
Ein vielversprechendes Forschungsfeld ist diesbezüglich die Magnetoelektronik, auch Spintronics genannt. Wie der Name schon sagt, geht es bei Spintronics um die gleichzeitige Kontrolle und Nutzung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Ladungsträgern. Dies eröffnet komplett neue Möglichkeiten der Datenverarbeitung. Spintronische Systeme können zum Beispiel für magnetologische Bauelemente genutzt werden, welche es erlauben, ein einzelnes Bauelement zwischen allen grundlegenden logischen Verknüpfungen umzuschalten. Weiters kann man Spintronik in Festkörperquantencomputern einsetzen oder für neuartige nichtflüchtige Speicher nutzen, welche bedeutend schneller als die derzeit eingesetzten Flash-Medien sein werden.
Ein Spintronik-Modellsystem stellen die als verdünnt magnetische Halbleiter (dilute magnetic semiconductors, DMS) bezeichneten Materialien dar, bei denen ein kleiner Teil der nichtmagnetischen Halbleiteratome durch magnetische Ionen
(Übergangsmetalle, Seltene Erden) ersetzt wird.
Für alltägliche Anwendungen ist es notwendig, dass die Curie-Temperatur der Materialien über der Raumtemperatur liegt. Im Jahr 2000 wurde mit dem sogenannten Zener Modell berechnet, dass die Halbleiter Galliumnitrid (GaN) und Zinkoxid (ZnO), wenn sie gezielt mit entsprechenden Mengen von Mangan dotiert werden, tatsächlich auch bei Raumtemperatur ferromagnetisch sein sollten. Dies ist allerdings nur der Fall, falls eine ausreichende Konzentration von freien Ladungsträgern zur Verfügung steht, um die magnetische Wechselwirkung zwischen den Manganionen zu vermitteln. GaN und ZnO werden derzeit zum Beispiel in blauen und violetten Laser- und Leuchtdioden eingesetzt.
Illustration 2: Änderung der GaN-Bandlücke und Mangan-Konzentration über dem Fluss der Mangan-Quelle. Der Anstieg der Bandlücke gibt Informationen über die Wechselwirkung zwischen Mangan und freien Ladungsträgern.
In meiner Diplomarbeit führte ich eine gründliche Untersuchung von mit Übergangsmetallen dotiertem GaN durch. Dabei kombinierte ich modernste magnetische und optische Messmethoden mit Röntgenabsorptionsmessungen am Synchrotron in Grenoble. Durch meine Ergebnisse ist es nun erstmals möglich zu verstehen, wie die magnetischen Ionen mit den freien Ladungsträgern — und dadurch auch untereinander — wechselwirken.
Die Kenntnis dieser Eigenschaften ist nötig, um gezielt (und nicht nur durch bloßes ,,Herumprobieren'') in der Praxis verwertbare spintronische Materialen zu finden. Daher bereitet diese Arbeit den Weg für zukünftige zuverlässige und effiziente GaN-basierte Spintronik-Geräte.