Integration of ferrimagnetic CoFe₂O₄ epitaxial films with silicon
El continuo progreso en microelectrónica se debe al crecimiento exponencial con el tiempo del número de transistores por circuito integrado, dependencia conocida como ley de Moore. Esta ley se sigue cumpliendo, pero se va acercando a límites intrínsecos. Por ello ha emergido la alternativa "Mor...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2014 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:116399 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/116399 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Epitaxia Pel·lícules fines Silici Materials ferromagnètics |
| Sumario: | El continuo progreso en microelectrónica se debe al crecimiento exponencial con el tiempo del número de transistores por circuito integrado, dependencia conocida como ley de Moore. Esta ley se sigue cumpliendo, pero se va acercando a límites intrínsecos. Por ello ha emergido la alternativa "More tan Moore", un enfoque complementario basado en conceptos radicalmente nuevos y en la introducción de nuevos materiales que mejoren las prestaciones de dispositivos. En particular, los óxidos funcionales representan una buena oportunidad para incrementar y desarrollar las respuestas de dispositivos de interés para una gran gama de aplicaciones. Esta tesis presenta un estudio sobre la integración de capas delgadas de CoFe2O4 sobre silicio. CoFe2O4 es ferromagnético y un aislante eléctrico a temperatura ambiente, que son las propiedades requeridas para ser utilizado como barrera túnel en un dispositivo de filtro de espín. Dicho dispositivo podría permitir la inyección de corrientes de espines polarizados en silicio, como alternativa a la inyección usando electrodos ferromagnéticos y barreras túneles pasivas. Sin obstante, un filtro de espín necesita una capa fina de CoFe2O4 de espesor nanométrico, inferior a 4-5 nm para permitir el efecto túnel, y una epitaxia de muy buena calidad para conservar el ferromagnetismo y el transporte por efecto túnel. La instabilidad termodinámica de CoFe2O4 con el silicio impone el uso de una capa barrera para su integración epitaxial. El mayor desafío reside en fabricar bicapas epitaxiales y extrafinas de CoFe2O4/barrera sobre silicio. El principal objetivo de esta tesis ha sido estudiar la posibilidad de realizar este objetivo. La capa barrera es crucial. Hemos llevado a cabo una estrategia de investigación en paralelo considerando varios candidatos. SrTiO3, pudiendo crecer de forma epitaxial sobre Si(001) y ya usado como substrato monocristalino para el depósito de CoFe2O4, ha sido una opción evidente. Hemos usado capas búfer de SrTiO3 gruesas (alrededor de 17 nm) fabricadas por colaboradores del INL-Lyon para crecer capas de CoFe2O4 epitaxiales y ferromagnéticas mediante depósito con láser pulsado (pulsed laser deposition, PLD). Sin embargo hemos encontrado difusión detitanio en el CoFe2O4, y que la intercara de SrTiO3/Si(001) podría ser inestable. Zirconia estabilizada con ítria (yttria-stabilized zirconia, YSZ) es otro óxido ampliamente usado como lámina barrera para la integración de óxidos sobre Si(001). Sin embargo siempre se usa siendo una barrera gruesa, con espesores de decenas de nanómetros y presentando una capa de SiOx en la intercara. Por ello hemos invesigado los mecanismos de crecimiento epitaxial de YSZ, con el fin de determinar los límites en la reducción de espesor de YSZ y de SiOx. Como resultado podemos obtener láminas barrera ultrafinas, de aproximadamente 2 nm de espesor y con menos de 1 nm de SiOx Ha sido posible usando PLD monitorizado con RHEED (reflection high energy electron diffraction). Usando estas láminas barrera, capas ultrafinas de CoFe2O4 epitaxiales presentan una orientación (111) y capas interfaciales de SiOx superiores a 2 nm de espesor. Aunque el resultado es remarcable, el espesor total de CFO/YSZ/SiOx es excesivo para un dispositivo de filtro de espín. También hemos utilizado barreras de Sc2O3 y Y2O3 sobre Si(111), proporcionadas por colaboradores del IHP-Frankfurt Oder. Son candidatos originales que no se habían combinado nunca con CoFe2O4. A pesar del gran desajuste estructural con el CoFe2O4, de entre 15 y 20%, el crecimiento de CoFe2O4 es epitaxial. La caracterización por microscopia electrónica en transmisión ha mostrado un mecanismo de crecimiento epitaxial por ajuste dominios. Las capas presentan una magnetización cercana a la del material masivo y sin capa interfacial de SiOx en las heteroestructuras de CoFe2O4/Y2O3/Si(111). Las barreras de Y2O3 son por tanto prometedoras para la estructura nanométrica requerida en un filtro de espín. Hemos demostrado que barreras ultrafinas de Y2O3, con un espesor inferior a 2 nm, permiten el crecimiento epitaxial de CoFe2O4, aunque las investigaciones sobre la estabilidad de la intercara no han sido concluyentes. |
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