Electrical control of spin injection in light emitting diodes with spin orbit torque injector
Contrôle électrique de l'injection de spin dans les diodes électroluminescentes avec un injecteur à couple spin-orbite
Résumé
Spin- light-emitting diodes (spin-LEDs), capable of emitting circularly polarized light by combining a semiconducting LED structure with a ferromagnetic injector, are at the forefront of future optical telecommunications based on circular polarization. The current challenge is to bridge the fields of photonics, electronics, and spintronics by electrically modulating the circular polarization of the emitted light through electrical control of the magnetization. So far, circular polarization has been controlled by switching the magnetization using an external magnetic field. For future applications, it is essential to eliminate the need for an external magnetic field. One possible solution is to electrically switch the magnetization using the spin-orbit torque (SOT) effect. However, controlling circular polarization by electrical modulation of the spin injection remains a challenging issue. The aim of this thesis is to study the electrical control of spin injection in a spin-LED using new types of spin injectors exhibiting SOT effects. To this end, we studied two types of spin injectors. For the first injector, Au/Fe₄N/MgO, we successfully achieved high-quality epitaxial growth with perpendicular magnetic anisotropy on a GaAs LED. We also managed, for the first time, to electrically switch the magnetization on a LED. However, we did not detect any circular polarization, most probably due to the complexity of the Fe4N magnetic structure and possible nitrogen diffusion at the interfaces. The second injector used in this thesis is Ta/CoFeB/MgO. This injector has already shown strong circular polarization. Our measurements on the standard spin-LED showed world record values of circular polarization reaching up to 40% at room temperature without any applied magnetic field. However, we were unable to electrically switch the magnetization of this injector on the SOT spin-LED due to the high resistance of the injection channel. The addition of a thin chromium layer on top of the injector reduces the electrical resistance of the channel and ultimately improves the magnetization switching properties. We thus succeeded in electrically switching this injector on a LED with a critical switching current of about 9 x 106 A/cm². This allows us to modulate the circular polarization of the emitted light between ± 30% at 300 K. We further showed that this this modulation can even be repeated more than 60 times without any degradation of the injector/semiconductor interface. Our results represent a major advancement that will significantly contribute to the development of optical telecommunications based on circular polarization modulation.
Les diodes électroluminescentes à injection de spin (spin-LEDs), capables d'émettre une lumière polarisée circulairement grâce à la combinaison d'une structure LED avec un injecteur ferromagnétique, sont au cœur des futures télécommunications optiques basées sur la polarisation circulaire de la lumière. Le défi actuel est de relier les disciplines de la photonique, de l'électronique et de la spintronique en modulant électriquement la polarisation circulaire de la lumière émise. Jusqu'à présent, la polarisation circulaire est contrôlée par la commutation de l'aimantation à l'aide d'un champ magnétique externe. Pour les applications futures, il est essentiel de s'affranchir de ce champ magnétique externe. Une solution possible serait de commuter électriquement l'aimantation en utilisant l'effet de couple spin-orbite (SOT). Cependant, le contrôle de la polarisation circulaire par la modulation électrique de la direction d'injection du spin reste un défi complexe. L'objectif de cette thèse est d'étudier le contrôle électrique de l'injection de spin dans une spin-LED en utilisant de nouveaux types d'injecteurs de spin présentant des effets SOT. Pour cela, nous avons étudié deux types d'injecteurs de spin. Le premier injecteur, Au/Fe₄N/MgO et caractérisé par une croissance épitaxiale et par une anisotropie magnétique perpendiculaire sur une LED à base de GaAs. Nous avons démontré, pour la première fois, le retournement électrique de l'aimantation sur une LED avec ce type d'injecteur. Cependant, nous n'avons pas détecté de polarisation circulaire, probablement en raison de la complexité de la structure magnétique du Fe₄N et de la possible diffusion de l'azote aux interfaces. Le second injecteur utilisé au cours de cette thèse est le Ta/CoFeB/MgO. Cet injecteur, qui a déjà été étudié, a permis d'obtenir des polarisations circulaires significatives. Nos mesures sur la spin-LED standard ont permis d'obtenir une valeur record de polarisation circulaire pouvant atteindre 40 % à température ambiante sans champ magnétique appliqué. Cependant, nous n'avons pas réussi à retourner électriquement l'aimantation de cet injecteur sur la SOT spin-LED en raison de la résistance élevée du canal d'injection. L'ajout de chrome sur la couche de Ta permet de réduire la résistance électrique du canal et donc d'améliorer le retournement de l'aimantation. Nous avons ainsi pu démontrer le retournement électrique de l'aimantation de l'injecteur sur une LED avec un courant de retournement critique de l'ordre de 9 x 106A/cm². Il devient alors possible de moduler la polarisation circulaire de la lumière émise entre ± 30 % à 300 K, cette modulation pouvant même être répétée plus de 60 fois sans aucune dégradation de l'interface injecteur/semi-conducteur. Nos résultats représentent une avancée majeure qui contribuera de manière significative au développement des télécommunications optiques basées sur la modulation de la polarisation circulaire.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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