Système Intégré pour la Croissance des Muticouches Hybrides

Vers l’élaboration des Nanostructures magnétiques pour l’électronique de spin

L’utilisation du spin de l’électron dans les dispositifs est l’un des défis de la micro- nano-électronique de demain. Un grand nombre des travaux a été consacré à la réalisation de dispositifs dédiés à l’injection de spin depuis un ferromagnétique métallique vers un semi-conducteur. Les problèmes rencontrés proviennent (i) de la difficulté à réaliser des interfaces métal/semiconducteur abruptes (ii) d’obstacles plus fondamentaux liés aux désaccord des canaux de conduction du métal ferromagnétique et du semi-conducteur. Une méthode alternative consiste à utiliser des semi-conducteurs magnétiques comme les semi-conducteurs dilués de type II-VI et III-V, mais aussi des semiconducteurs tels que ZnO et GaN dopés avec Co ou Mn. Un nouveau type de nanostructures hybrides constituées de métaux ferromagnétiques séparés par des espèces organiques semiconductrices ou isolantes est à la base de la spintronique organique. Néanmoins beaucoup de travaux sont encore nécessaires pour maîtriser la croissance de ces structures artificielles, obtenir des matériaux de bonne qualité, ayant des propriétés magnétiques reproductibles (couplage entre couches ferromagnétiques séparées par une couche organique) et enfin pour comprendre les phénomènes de transport dépendant du spin Pour être en mesure de réaliser ces structures artificielles hybrides, le Groupe DMONS de l’IPCMS a fait le projet et mis en service, sous la responsabilité d’Eric Beaurepaire, un ensemble de chambres de dépôt sous UHV capable de réaliser une séquence de couches minces :

Métalliques monocrystallines à structure et épaisseur contrôlée
D’oxydes et nitrures par pulvérisation cathodique réactive
Composés organiques par évaporation sous UHV (OMBE)

Les trois méthodes de dépôt n’étant pas compatibles, chaque étape de la fabrication des couches hybrides doit être réalisée dans une enceinte dédiée. Le transfert sous ultra vide entre différentes chambres est impératif pour garantir une bonne qualité de l’interface et fondamental pour les propriétés des matériaux,. L’ensemble des transferts entre 5 chambres (pulvérisation cathodique, évaporateur, OMBE, sas de chargement et bientôt STM / AFM conducteur) est assuré par une chambre de distribution radiale UHV, robotisée.

Des développements en cours visent à permettre la réalisation de dispositifs simples par dépôt à travers des masques submillimétriques. Les matériaux élaborés dans le « Système Hybride » serviront de base pour la fabrication des nanostructures magnétiques, magéto – optiques et de dispositifs modèles pour la spintronique organique grâce aux moyens de micro et nanofabrication de l’IPCMS (salle blanche, e-fab, gravure ionique).

Un ensemble versatile pour l’élaboration des structures artificielles hybrides :

Les etapes de depôt epitaxié de couches ferromagnetiques, de couches d’oxydes ou nitrures, de composés organiques doivent être realisées dans les chambres dediés afin de garanir la qualité des dopôts et surtout des interfaces. Le système de transfert sous UHV entre la MBE, la OMBE et la pulverisation cathodique garantit une bonne qualité des interfaces.

1. Chambre de Pulvérisation Cathodique sous UHV :

Objectif : Maîtriser l’élaboration des métaux et alliages magnétiques simples (Co, Fe, Ni, permalloy), puis des couches minces diélectriques reproductibles, dont on contrôle bien l’élaboration, ainsi que les propriétés magnétiques et structurales (en particulier oxydes et nitrures). On s’intéressera ensuite à des systèmes plus complexes, : Fe₃O₄, demi-métal (déjà élaborés à l’IPCMS) dans le but d’optimiser l’injection de spin dans le semi-conducteur organique ; ZnO :Co, semiconducteur magnétique relativement transparent dans certaines régions du spectre optique, ce qui permet d’utiliser la luminescence comme sonde de l’injection de spin et de la polarisation des orbitales électroniques.

Porte échantillon 2″ tournant T max = 900°C, T = 800°C sous O2 Pompage turbomoléculaire 700l/s, pompe sèche Triscroll 15m³ Dépôt assisté par une source d’ions

3 magnétrons inclinables (position du porte ech) alimentation en gaz (Ar,) à travers la cellule (allumage) ou directement dans l’enceinte (O₂, N₂)
Aimants sans contact avec l’eau (durée de vie)
Forme du champs magnétique variable « balanced/unbalanced »
Alimentation RF, DC, DC pulsé.

En DC une partie de la cible se recouvre d’un composé isolant qui provoque une accumulation de charge positive pendant le bombardement ionique en provoquant les décharges électriques. Ceci est une source d’inhomogénéité du dépôt, de défauts dans la couche et d’instabilité du plasma. Le DC pulsé entre 2-100kHz est une solution, recommandée pour ITO ;SiO₂, Al₂O₃, Zr0₂. Effets espérés : augmentation de la réactivité du plasma, densité plus grande de la couche, stœchiométrie respecté en cas de co-dépôt.

2. Evaporateur UHV avec manipulateur des masques

Objectif :

Réaliser les croissances de couches minces mono cristallines de métaux.
Fabriquer des dispositifs à l’échelle millimétrique, par dépôt à travers des masques

Porte échantillon 2″ –150°C / 600°C
RHEED 30kV
Balance à quartz
4 cellules haute température régulées à 0.1°C
Manipulateur de masques , précision 5microns.
Pompage turbomoléculaire 240l/s,
Pompe ionique 400l/s, sublimateur de Ti
Pompage cryogénique (L N2)

3. Epitaxie par Jet Moléculaire Organique

Objectifs :

(Long terme) Explorer le potentiel des matériaux organiques dans le domaine de l’électronique de spin, de l’optique et matériaux pour l’effet photovoltaïque organique.

(Court terme) Fabriquer entièrement par jets moléculaires un dispositif magnétorésistif modèle, constitué par des électrodes en métal ferromagnétique séparées par un film mince organique à base de molécules $\pi$ conjuguées, polycycliques aromatiques de type perylènes (PTCDA) ou phthalocyanines (Pc).

Porte échantillon 2″ T max = 500°C
RHEED 20kV
Balance à quartz

L’OMBE est un outil essentiel pour fabriquer des hétérostructures métal ferromagnétique/organique/métal ferromagnétique dont on contrôle les propriétés morphologiques (planéité), structurales (ordre cristallin, interdiffusion) et électroniques (transfert de charge aux interfaces). L’intérêt particulier de la famille de molécules que nous souhaitons utiliser (pthalocyanines ) réside dans la diversité de substitution et par là de propriétés qu’elle présente, permettant par exemple d’explorer l’effet sur les propriétés de magnétotransport de la nature des porteurs de charge (électrons ou trous pour CuPc ou F₁₆CuPc), du couplage spin-orbite ou du magnétisme local pour des composés métalo-organique (MnPc, PbPc…).

4. Robot de distribution radiale :

Robot de distribution radiale, assure les transferts d’un molyblock 2″, sous UHV, entre le sas (magasin de stockage en développement) et les trois chambres de dépôt. Le bras télescopique est mis en rotation et en translation par les moteurs intégrés sous UHV. Il fonctionne en mode manuel, semi –auto (raquette de commande à distance) et en mode automatique (par ordinateur). Ce robot permet la disposition de chambres en étoile, une solution économique et permettant l’installation du système intégré dans un local à dimensions réduites.

Une cinquième bride est en attente d’une extension à la microscopie AFM conducteur sous UHV.

Contacts:

Jacek ARABSKI

Ingénieur de recherche (IRHC) – CNRSIPCMS – Département Magnétisme des Objets NanoStructurés (DMONS) 23 rue du Loess BP 43 Bureau : 1007 – 0048 Strasbourg 67034 Téléphone: +33 (0)3 88 10 70 75 (Lab -70 41)Fax: +33 (0)3 88 10 72 49 Courriel: Site internet: page personnelle

Eric BEAUREPAIRE

Responsable du DMONS Directeur de recherche (DR2) – CNRSIPCMS – Département Magnétisme des Objets NanoStructurés (DMONS) 23 Rue du Loess BP 43 Bureau : 1008 Strasbourg 67034 Téléphone: +33 (0)3 88 10 72 57Fax: +33 (0)3 88 10 72 49 Courriel: Site internet: Page Personnelle

Martin BOWEN

Directeur de recherche (DR2) – CNRSIPCMS – Département Magnétisme des Objets NanoStructurés (DMONS) 23 rue du Loess BP 43 Bureau : 0011 Strasbourg 67034 Téléphone: (33) 3 88 10 70 92Fax: (33) 3 88 10 72 49 Courriel: Site internet: page personnelle