L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Abstract

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

This thesis is dedicated to the study of InMnP and GaMnP materials fabricated by ion implantation and thermal annealing. More precisely we have investigated the possibility of forming by ion implantation homogeneous InMnP and GaMnP materials (alloys), containing up to 5 at. % of Mn, that would be in a ferromagnetic state for possible applications in spintronics. In the first introductive chapter we give the motivations for this research and briefly comment the literature existent on this subject. The second chapter describes the principles of ion implantation, which is the technique used for the fabrication of the samples. The effects of the energy, fluency and direction of the ion beam on the implantation profile and the formation of damages will be highlighted. Also in this chapter we shall find information concerning the semiconducting substrates used for the implantation. The experimental techniques used for the structural, chemical and magnetic characterisation of the samples, together with their limitations are discussed in the third chapter. Some theoretical principles of magnetism necessary for the understanding of the magnetic measurements are presented in chapter 4. The fifth chapter is dedicated to the study of the morphology and magnetic properties of the substrates used for implantation and the sixth chapter to the study of samples implanted with Mn without thermal annealing. In particular we’ll see in this chapter that Mn implantation at more then 1016 ions/cm2 makes amorphous the implanted layer and the Mn atoms are distributed in depth following a Gaussian profile. The implanted Mn atoms are in a paramagnetic state between 5 and 300 K having the spin value of 5/2. In chapter 7 we present the properties of samples annealed at low temperatures. We shall see that in these samples the implanted layer is polycristalline and the Mn atoms are still in a paramagnetic state. In the chapters 8 and 9 that contain most of the results of this thesis, we present the measurements on samples annealed at high temperatures: in chapter 8 one shall find results on InP and GaP implanted with Mn and in chapter 9 one shall see results on InP co-implanted with Mn and P. Firstly, in chapter 8 we’ll see that thermal annealing at high temperatures leads to an epitaxial recrystallization of InMnP and GaMnP. But most of the Mn atoms diffuse to the surface due to a segregation effect. In the regions at the surface, highly concentrated in Mn, the XRD and TEM measurement identify the formation of MnP and In crystalline. The magnetic measurements identify also the presence of ferromagnetic MnP. Moreover in these measurements one finds that 60 % of the implanted Mn is in a paramagnetic state with the spin value reduced with respect to that found in un-annealed samples. In the InP samples co-implanted with Mn and P we have only a partial recrystallization but, the effect of segregation of Mn at the surface is much reduced. In this case more than 50 % of the implanted Mn forms ferromagnetic MnP and the rest of it is diluted in InP, in a paramagnetic state with spin 5/2. Finally, in the last chapter 10 we present the principal conclusion that we have reached and discuss the results and their implications.