Brevet FR2886407A1 — publié le 20061201

INJECTEUR LOCAL D'ELECTRONS POLARISES DE SPIN A POINTE EN SEMI-CONDUCTEUR SOUS EXCITATION LUMINEUSE La présente invention se rapporte à un injecteur local d'électrons polarisés de spin utilisant une pointe en semi-conducteur sous excitation lumineuse. Différentes méthodes, basées sur les techniques de microscopie à sonde locale, ont été développées pour sonder le magnétisme de surface et de couches minces à l'échelle nanométrique. [Voir la revue de M. Bode Spinpolarized scanning tunneling microscopy, Rep. Prog. Phys. 66, (2003), 523] . La microscopie magnéto-optique en champ proche utilise une sonde optique. Les résultats obtenus jusqu'à présent montrent une résolution de plusieurs centaines de nanomètres. La microscopie à force magnétique (MFM) permet de sonder les champs de fuite au voisinage de la surface d'un système présentant un ordre magnétique. Cette technique, basée sur la mesure de la force induite par le champ de fuite sur une pointe aimantée, donne accès (sous certaines conditions) à la structure en domaines. C'est actuellement la technique de référence pour l'imagerie de domaines dans les couches minces magnétiques avec une résolution optimale de quelques dizaines de nanomètres. Plus récemment, des images du magnétisme à la résolution atomique ont été obtenues par microscopie tunnel polarisée de spin (SPSTM) en utilisant une pointe magnétique. Cette technique repose sur le fait que, dans des conditions adéquates de polarisation de la jonction tunnel, l'intensité du courant tunnel dépend de la configuration parallèle ou anti-parallèle des moments respectifs de la pointe et de la surface. Les deux techniques de MFM et SPSTM à pointe magnétique, évoquées cidessus, ont ouvert de vastes possibilités d'étude du magnétisme à l'échelle nanométrique. Cependant, ces techniques souffrent d'une limitation liée à l'utilisation d'une pointe magnétique qui interagit avec la surface étudiée et peut en modifier significativement les propriétés magnétiques locales. Une autre application possible de l'injecteur d'électrons est la microscopie tunnel avec une pointe de GaAs. Il a été proposé il y a plusieurs années d'injecter des électrons polarisés de spin, générés par une excitation lumineuse dans une pointe semi-conductrice. Cette idée est contenue dans le brevet de Alvarado et al, Spin Polarized Scanning Tunneling Microscope , Brevet Européen 0 355 241, 1990, dont un aspect intéressant est décrit dans la figure 4. Les électrons sont polarisés de spin si la lumière est polarisée circulairement (hélicité a+ ou 6) et si l'énergie lumineuse, d'énergie supérieure à la bande interdite Eg, est en outre inférieure à la somme Eg + A où A est l'énergie d'interaction spinorbite. Pour GaAs, la fenêtre d'énergie disponible va de 1.42 eV à environ 1.70 eV à température ambiante. Ce mode d'opération a un double avantage: d'une part le spin moyen des électrons injectés est contrôlé par l'hélicité de la lumière et change de signe lorsque cette hélicité passe de a+ à a-. Ceci permet, en modulant la polarisation de la lumière, de moduler le signe du spin des électrons injectés. Ainsi, on mesure indépendamment la topographie de la surface par la valeur moyenne du courant tunnel, et le magnétisme de surface en mesurant la modulation de ce courant induite par la modulation de polarisation. D'autre part, l'aimantation totale des photoélectrons étant très faible, la pointe ne perturbe pas le magnétisme de la surface. En raison de ces avantages, plusieurs groupes ont tenté de mettre cette idée en application. L'excitation lumineuse se faisait soit par le côté [voir par exemple Prins et al. ( Phys. Rev. 53, 8105, (1996)], soit au travers de l'échantillon, supposé transparent à la lumière. [W. Nabhan et al. Appl. Surf. Sci. 144-145, (1999), 570]. Les résultats obtenus n'ont pas été aussi convaincants que ceux obtenus avec des pointes magnétiques. Notamment, de forts effets parasites, non liés au magnétisme, ont été obtenus. Ces effets masquent l'observation des effets magnétiques proprement dits. Ces effets parasites sont attribués au changement de polarisation de spin au cours de la pénétration de la lumière dans la pointe, dans le premier cas, et au dichroïsme de l'échantillon dans le deuxième. Un autre domaine voisin intéressant est celui de l'injection de spin pour la 30 spintronique (électronique de spin) et le calcul quantique. Le développement de futurs composants pour l'électronique de spin et le calcul quantique nécessite l'injection de spin dans des échantillons semiconducteurs, métalliques, ou dans des structures comme les points quantiques (quantum dots). Pour réaliser cette injection sans perdre le spin, il est nécessaire d'établir entre l'injecteur et le système dans lequel on injecte une barrière d'épaisseur contrôlée, ce qui peut se réaliser plus facilement dans des conditions d'injection tunnel. Par ailleurs, l'injection dans des points quantiques nécessite de déplacer l'injecteur, ce pourquoi les conditions d'imagerie tunnel sont les mieux adaptées. Les techniques à sonde locale sont envisagées pour augmenter la densité de stockage d'information. La société IBM a développé le Millipede , qui consiste en une matrice de cantilevers, qui permettent à la fois d'écrire et de lire. Suite aux résultats prometteurs obtenus, plusieurs variantes de systèmes de stockage utilisant des techniques à sonde locale ont été proposées(stockage par chauffage, stockage ferroélectrique, ...) mais aucun système de stockage par sonde locale ne semble s'imposer pour le moment. La présente invention a pour objet un dispositif injecteur local d'électrons polarisés de spin à pointe en semi-conducteur sous excitation lumineuse qui permette de changer facilement la polarisation de spin des électrons injectés et d'optimiser les conditions d'injection sans induire d' absorption parasite de la lumière d'excitation, qui soit facile à mettre en oeuvre, avec une résolution spatiale comparable ou meilleure qu'environ le nanomètre, ce dispositif donnant un accès conjointement et de manière simple aux informations topographiques et magnétiques des matériaux testés, sans effets parasites, et évitant les inconvénients mentionnés ci-dessus des pointes magnétiques. Le dispositif injecteur local d'électrons conforme à l'invention est un injecteur comportant une pointe en semi-conducteur fixée sur un levier ou cantilever et sous excitation lumineuse, et il est caractérisé en ce que l'excitation lumineuse est un faisceau lumineux à polarisation circulaire éclairant la face du cantilever opposée à celle sur laquelle est formée la pointe et que le cantilever est en un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau lumineux. Selon une autre caractéristique de l'invention, on fait subir à la pointe un traitement de surface dans le but d'enlever et d'éviter la reformation d'une couche superficielle d'oxyde et d'améliorer la proportion d'électrons injectés. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée 5 d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma simplifié d'un dispositif à pointe disposée à l'extrémité d'un cantilever conforme à l'invention, la figure 2 est une vue partielle et agrandie du dispositif de la figure 1, servant à expliquer le processus de création et de transport d'électrons polarisés de spin, conformément à l'invention, les figures 3 et 4 sont des schémas simplifiés montrant deux étapes de réalisation d'un dispositif injecteur local d'électrons conforme à l'invention, la figure 3 étant vue en face arrière (face opposée à celle sur laquelle est formée la pointe), alors que la figure 4 est vue en face avant , et - la figure 5 est un schéma simplifié d'un montage expérimental servant à tester un dispositif injecteur local d'électrons conforme à l'invention. On a représenté en figure 1 un cantilever (un levier) 1 à l'extrémité duquel est formée une pointe 2. Ce cantilever est du type de ceux utilisés en microscopie à force atomique (AFM). Cette géométrie permet l'excitation de la pointe par la source lumineuse. Elle permet aussi de stabiliser la distance pointe/surface, en détectant, de façon connue en soi, la lumière laser réfléchie par le cantilever à l'aide d'une diode à quadrants, et en mesurant la déflexion de celle-ci. La lumière d'excitation 3 éclaire la face du cantilever 1 opposée à celle sur laquelle est formée la pointe 2, sensiblement en face de la pointe. Cette lumière est une lumière monochromatique à polarisation circulaire, ayant par exemple une longueur d'onde comprise entre environ 1.42 eV et 1. 70 eV. Le cantilever est avantageusement réalisé en matériau transparent à la 30 longueur d'onde de la lumière excitatrice et qui ne modifie pas sa polarisation. Ainsi, bien qu'il soit en principe possible de choisir un cantilever en GaAs 15 d'épaisseur inférieure ou comparable à la profondeur d'absorption de la lumière (de l'ordre du micron), il est possible en choisissant un cantilever transparent d'ajuster sa raideur en ajustant son épaisseur sans induire de pertes lumineuses par absorption dans le cantilever. Un matériau possible est un alliage semi-conducteur Gal_XA1XAs, à condition de choisir une concentration d'aluminium x suffisamment grande, supérieure à environ 0.25-0.3. Ce choix simplifie la croissance épitaxiale de la pointe. Il permet en outre de limiter la perte d'électrons par recombinaison à la surface arrière de la pointe, puisque l'interface Gal_XAlXAs/GaAs est connue pour induire très peu de recombinaisons de surface. Enfin, la fragilité du cantilever est réduite, puisque la résistance à la fracture de Gal_XAl As est supérieure à celle de GaAs et peut être comparable à celle du silicium, utilisé de manière courante pour fabriquer des cantilevers d'AFM. Il est nécessaire de transporter les électrons générés optiquement sur la face arrière de la pointe, jusqu'au bout de celle-ci, sans perte significative de polarisation 15 de spin. Pour cela, la condition suivante: 1/a d LS doit être réalisée. Ici 1/a est la profondeur d'absorption de la lumière (de l'ordre du micron) dans la pointe à la longueur d'onde de l'énergie lumineuse, d est la hauteur de la pointe, et LS = (DT1*)112 est la longueur de diffusion de spin, avec Ti* = [i-1+ T11]-1. Le temps T1* est le temps de vie du spin, compte tenu de la recombinaison avec un temps de vie T et de la relaxation de spin avec un temps T1. La partie gauche de la condition ci-dessus indique que les électrons sont bien créés dans la zone arrière de la pointe, ce qui permet de ne pas perturber le champ lumineux par la pointe, et la surface de l'échantillon. La partie droite indique que les électrons diffusent jusqu'au bout de la pointe et que leur spin se conserve. Dans le GaAs de type p, ayant une concentration d'accepteurs de l'ordre de quelques 1018 cm-3, il est possible de photocréer (générer optiquement) des électrons polarisés de spin à température ambiante, ce qui indique que Ti est grand devant 'r et donc que le spin se conserve pendant la durée de vie de l'électron. En outre, comme dans ce matériau la longueur de diffusion de spin est de l'ordre de 5 m, la condition ci-dessus est vérifiée si la pointe a une longueur de 2 à 3 m. La réalisation de l'ensemble cantilever-pointe est effectuée en combinant principalement des étapes d'épitaxie (en particulier sélective) et de gravure profonde. L'épitaxie de la pointe est réalisée sur un substrat présentant en surface une structure épitaxiale ad hoc (permettant de contrôler les propriétés mécaniques et opto- électroniques du cantilever, comme précisé ci-dessus à propos des matériaux utilisables pour le cantilever) et recouvert d'un masque dans lequel des trous (typiquement de dimensions micrométriques) sont ouverts. En utilisant des conditions d'épitaxie sélective, il est possible d'obtenir une croissance de matériau uniquement à partir des trous ouverts et donc de localiser les pointes. D'autre part, en modifiant les conditions d'épitaxie sélective, il est possible de choisir les plans cristallographiques qui vont délimiter la pointe ainsi que leurs vitesses de croissance, ce qui permet de contrôler à façon la géométrie de la pointe (et notamment sa hauteur et son rayon de courbure à l'extrémité). Plus l'angle de la pointe est ouvert, plus l'effet de la recombinaison de surface aux parois est faible, et donc plus le transport des électrons polarisés de spin jusqu'à son extrémité est facilité. En revanche, une pointe effilée permet d'améliorer la résolution spatiale, ce qui nécessite de trouver un compromis dans la valeur de l'angle au sommet de la pointe. La technique la plus adaptée à ce genre de croissance est l'épitaxie en phase vapeur aux hydrures ou aux chlorures (HVPE en anglais) et on peut par exemple réaliser par cette technique des pointes de GaAs ayant une hauteur et une largeur de quelques microns sur un substrat AlGaAs/GaAs masqué par du nitrure de silicium ou de la silice. [E. Gil-Lafon, J. Napierala, D. Castelluci, A. Pimpinelli, R. Cadoret, B. Gérard, Crystal Growth, 222, 482, (2001)]. Il est également possible de réaliser les pointes par attaque chimique anisotrope. [V. Cambel, D. Gregusova, and R. Kudela, J. Appl. Phys. 94, 4643, (2003)]. La réalisation du cantilever nécessite d'une part d'éliminer tout autour de celui- ci le matériau substrat, donc d'être capable de graver des tranchées dans le substrat de plusieurs centaines de microns de profondeur. Afin de faciliter cette étape, l'épaisseur initiale du substrat pourra être limitée (par exemple à 200[tm, qui dans le cas de GaAs peut être un bon compromis entre tenue mécanique du bloc cantilever et temps de gravure nécessaire) . L'utilisation d'une technique de gravure anisotrope présentant des vitesses de gravure élevées est préférable. La technique ICP ( Inductively Coupled Plasma) est généralement préférable aux autres techniques utilisables telles que les techniques de gravure ionique de type RIE (Reactive Ion Etching) ou de gravure chimique. La réalisation du cantilever nécessite d'autre part de contrôler sa géométrie et ses propriétés mécaniques. Ceci est réalisé par lithographie et en incluant dans la structure épitaxiale déposée sur le substrat de départ une ou plusieurs couches d'arrêt chimique (c'est-à- dire présentant une sélectivité de gravure chimique par rapport aux matériaux constituant le cantilever), ce qui permet de contrôler très précisément l'épaisseur du cantilever réalisé. On peut par exemple intégrer dans la structure une couche d'arrêt en GaInP entre le substrat GaAs qu'on élimine et le cantilever constitué de GaAlAs/GaAs. Un exemple d'enchaînement des étapes technologiques conduisant à la réalisation d'un ensemble cantilever-pointe en GaAs est illustré en figures 3 et 4 et est le suivant ( Ces étapes pourront définir un certain nombre d'ensembles identiques, disposés sur une tranche massive de GaAs) : 1) réalisation d'une structure épitaxiale GaAs/GaA1As/GaInP sur un substrat GaAs d'épaisseur 200tm, sur ce que l'on appellera la face avant. L'épaisseur de la couche de GaAlAs sera choisie entre environ 0.5 m et quelques microns, en fonction de la raideur du cantilever que l'on souhaite obtenir. L'épaisseur de la couche de GaInP sera l'épaisseur choisie couramment dans les processus de gravure avec couche d'arrêt. 2) dépôt d'un masque sous forme d'une couche de nitrure de silicium sur cette structure épitaxiale, 3) ouverture de trous dans la couche de nitrure de silicium pour localiser la croissance ultérieure des pointes (face avant), 4) épitaxie sélective de la pointe 3 (ou des pointes, dans le cas où l'on forme plusieurs ensembles sur un même substrat), 5) dépôt de silice sur les faces avant et arrière du substrat, 6) lithographie face arrière pour définir le corps 4 du bloc cantilever (5) + pointe (3), 7) ouverture du masque de silice et gravure ICP de la face arrière du substrat GaAs sur une profondeur de 150 m ( voir un exemple en Figure 3, sur laquelle la pointe 3 est vue par transparence), 8) lithographie de la face avant pour définir le cantilever 5 (voir un exemple en Figure 4), 9) ouverture du masque de silice et gravure ICP de la face arrière du substrat GaAs sur une profondeur de 50 m (le substrat est alors intégralement éliminé autour du bloc cantilever + pointe), 10) gravure face arrière par ICP ou chimique (sur environ 50 m) jusqu'à la couche d'arrêt GaInP, 11) élimination chimique sélective de la couche d'arrêt GaInP, 12) élimination des masques de silice. On obtient ainsi un ensemble cantilever-pointe fixé sur un bloc de GaAs, lui-même relié par des ponts de GaAs au reste de la tranche de GaAs utilisée. Il suffira de casser ces ponts pour détacher l'ensemble, qui pourra alors être installé sur l'appareillage de test (voir figure 5). Il est à noter que l'on peut inverser les étapes 2 à 4 et 5 à 7 respectivement, voire les étapes 2 à 4 et 5 à 12 respectivement. On a représenté en figure 5 un montage de test du dispositif d'injection ainsi réalisé. Ce montage où l'ensemble 6 pointe et cantilever est installé sur un support 7, face à un échantillon 8, doit permettre de focaliser la lumière sur une surface de l'échantillon de quelques microns de diamètre, en un point qui ne se déplace pas pendant le balayage de la surface de cet échantillon. Cette condition peut être réalisée à l'aide de deux actuateurs à céramiques piézo-électriques. (voir figure 5) La première céramique 9 supporte le cantilever et ne fournit qu'un mouvement parallèle à l'axe lumineux (Oz) du faisceau de lumière cohérente 10 illuminant la face arrière du cantilever. En revanche, la deuxième céramique 11, sur laquelle est fixé l'échantillon 8, permet un déplacement dans les deux directions perpendiculaires, Ox et Oy (dans un plan perpendiculaire au plan du dessin) , ce qui permet de balayer l'échantillon. Ce montage est compatible avec une utilisation en ultravide, sous air ou sous gaz neutre, ou en milieu électro-chimique. Pour éviter l'oxydation de la pointe pendant l'expérience, on peut aussi déposer sur l'échantillon par centrifugation un liquide hydrophobe tel qu'un polymère (polydiméthylsiloxane par exemple) ou une huile perfluorée. Selon une autre caractéristique de l'invention, on traite la pointe d'injection d'électrons. Le traitement de la pointe a un double but. Il est d'abord nécessaire d'enlever la couche d'oxyde qui peut empêcher l'apparition d'un courant tunnel. De plus, il est important de diminuer la recombinaison à la surface qui diminue le 2886407 10 courant des électrons injectés dans la pointe après leur photocréation à l'arrière de celle-ci. Plusieurs traitements chimiques peuvent être envisagés. Pour une utilisation en ultra-vide, la pointe peut être traitée par une solution de sulfure (sulfure de sodium ou sulfure d'ammonium par exemple). Un autre traitement possible est celui par une solution d'acide chlorhydrique dans le propanol, suivie d'une introduction sous vide en absence d'oxygène. Une technique chimique simple peut permettre une utilisation en milieu gazeux ou liquide, ce qui simplifie grandement les mesures [V. L. Berkovits, T. V. L'vova, V. P. Ulin, Procedure to obtain nitride films on surfaces of III-V semiconductors brevet de la fédération de Russie 2168237 (2001)]. Ce procédé, qui consiste à immerger la pointe dans une solution à base d'hydrazine (N2H4), permet après un éventuel recuit modéré sous vide de recouvrir la pointe d'une couche très fine d'azote, d'épaisseur de l'ordre de la monocouche. Il a été montré que cette technique diminue la vitesse de recombinaison de surface, et protège la surface pendant au moins plusieurs mois contre l'oxydation. Le dispositif de l'invention permet de réaliser une imagerie des domaines magnétiques et de la topographie de la surface de couches minces en minimisant l'interaction magnétique injecteur/échantillon, et ce, dans un environnement ultra-vide, liquide ou gazeux. Il peut aussi être mis en oeuvre pour l'étude de la spintronique dans différents matériaux par injection de spins, ou bien pour l'étude de structures quantiques et le stockage à haute densité d'informations. Le fait de faire appel à des alliages III-V pour le levier permet d'ajuster l'épaisseur et donc la raideur de ce levier sans introduire d'absorption lumineuse. Un levier plus souple est généralement mieux adapté aux conditions d'AFM tandis qu'un levier plus raide permet de mieux contrôler la distance pointe-substrat, puisque cette distance dépend moins des forces entre les deux. Selon les applications, on recherchera la valeur optimale de cette raideur. La pointe est alors généralement en GaAs. REVENDICATIONS 1. Injecteur local d'électrons polarisés de spin comportant une pointe (2) en semi-conducteur fixée sur un cantilever (1) et sous excitation lumineuse (3), caractérisé en ce que l'excitation lumineuse est un faisceau lumineux à polarisation circulaire éclairant la face du cantilever opposée à celle sur laquelle est formée la pointe. 2 Injecteur local d'électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques de la pointe sont telles que la condition: 1/a d Ls est réalisée, 1/a étant la profondeur d'absorption de la lumière dans la pointe à la longueur d'onde de l'énergie lumineuse, d la hauteur de la pointe, et LS = (DT1*)1/2 la longueur de diffusion de spin, avec T1* = [t-1+ T1-1]-1, le temps Ti* étant le temps de vie du spin, compte tenu de la recombinaison avec un temps de vie t et de la relaxation de spin avec un temps T1. 3 Injecteur local d'électrons selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on fait subir à la pointe un traitement de surface dans le but d'enlever et d'éviter la re-formation d'une couche superficielle d'oxyde et d'améliorer la proportion d'électrons injectés. 4 Injecteur local d'électrons selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cantilever est en un matériau transparent à la longueur d'onde du faisceau lumineux. Injecteur local d'électrons selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le levier est réalisé en un alliage semi-conducteur 25 III-V et que la pointe est en GaAs. 6 Matrice d'injecteurs selon la revendication 1 ou 2, permettant le stockage et la lecture d'information à haute densité.