Integration of ferrimagnetic CoFe2O4 epitaxial films with silicon

Abstract

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.

Microelectronics is progressing continuously by the exponential growth with time of the number of transistors per integrated circuit, the popularly known as “Moore’s Law”. This law is still valid but it is approaching intrinsic limits. The “More than Moore” is a complementary approach based on the use of radically new concepts as well as on the use of new materials in existing devices to improve performance. In particular, functional complex oxides represent an opportunity to extend and develop new devices functionalities with a wide range of applications. This thesis presents a study on the integration of CoFe2O4 thin films with silicon. CoFe2O4 is ferromagnetic and electrically insulating at room temperature, the properties required to be used as tunnel barrier in a spin filter device. This device could permit the injection of spin polarized currents in silicon, as an alternative to the injection using ferromagnetic electrodes and passive tunnel barriers. However the spin filter requires a nanometric CoFe2O4 film, thinner than 4-5 nm to allow tunneling, and has to be epitaxial with high crystalline quality to preserve the ferromagnetism and tunneling transport. The thermodynamical instability between CoFe2O4 and silicon imposes the use of a buffer layer for its epitaxial integration. The challenging goal is therefore fabricating ultrathin epitaxial CoFe2O4/buffer bilayers on silicon. Investigating the possibility to achieve such goal has been the main objective of this thesis. The buffer layer is critical. Thus we have followed a strategy based on investigating in parallel several candidates. SrTiO3, which can be grown epitaxially on Si(001) with sharp interface and that has been already used as single crystal to deposited CoFe2O4, has been a natural option. We have used thick (around 17 nm) SrTiO3 buffers fabricated by collaborators at INL-Lyon to grow by pulsed laser deposition (PLD) CoFe2O4, which is epitaxial and ferromagnetic. However, there is diffusion of Ti into CoFe2O4 and the SrTiO3/Si(001) interface could be unstable. Yttria-stabilized-zirconia (YSZ) has been other investigated material. It is widely used to grow oxides on Si(001), but having the YSZ buffershigh thickness of tens of nm and presence of interfacial SiOx. Here we have investigated the mechanisms of YSZ epitaxy to determine the limits reducing the YSZ thickness and the interfacial layer. Ultrathin buffers around 2 nm thick, with less than 1 nm thick SiOx layer, can be fabricated by reflection high energy electron diffraction (RHEED) assisted PLD. Ultrathin CoFe2O4 films subsequently grown were epitaxial, although (111) oriented and with the SiOx layers more than 2 nm thick. The result is remarkable, but the total thickness of CFO/YSZ/SiOx is excessive for a tunnel device. We have used also Sc2O3 and Y2O3 buffers on Si(111), provided by collaborators at IHP-Frankfurt Oder. They are original candidates never combined with CoFe2O4. In spite of the huge lattice mismatch of around 15 and 20% CoFe2O4 grows epitaxially. Detailed transmission electron microscopy (TEM) has showed a mechanism of domain matching epitaxy. The films present magnetization close to the bulk value and without interfacial SiOx layer in the CoFe2O4/Y2O3/Si(111) sample. Thus Y2O3 appear as very promising buffer layer and maybe convenient for the nanometric structure required in a spin filter. We have demonstrated that ultrathin Y2O3 buffers, less than 2 nm thick, permit epitaxial growth of CoFe2O4, although the investigation of the interface stability has not been conclusive.